[發(fā)明專利]一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201511005208.3
• 申請日: 2015-12-29
• 公開（公告）號: CN105427913B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周毅;張世旭;李公平
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州大學(xué)
• 主分類號: G21H1/00
• 分類號: G21H1/00
• 代理公司: 甘肅省知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)中心62100
• 代理人: 劉繼春

1.一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池，其特征在于：其包括熱源結(jié)構(gòu)、換能結(jié)構(gòu)、散熱器（21）和惰性氣體管道（22）；熱源結(jié)構(gòu)包括熱源腔體（1）和熱源裝置，熱源腔體（1）包括熱源腔體外殼（2），熱源腔體外殼（2）內(nèi)表面設(shè)有熱反射層（3），熱源腔體外殼（2）兩端漸變收縮并裝配氣動單向閥（11），熱源裝置包括設(shè)有夾層的導(dǎo)熱筒（6），導(dǎo)熱筒（6）夾層內(nèi)裝放射源（7），導(dǎo)熱筒（6）內(nèi)、外壁均設(shè)有防輻射層（5），熱源裝置被封裝于熱源裝置外殼（4）內(nèi)，熱源裝置外殼（4）外表面均勻設(shè)有三個固定支架（8），熱源裝置利用螺絲（9）通過固定支架（8）固定于熱源腔體外殼（2）上，熱源裝置中間設(shè)有通孔（10）；換能結(jié)構(gòu)包括活動式尖端噴嘴（12）、圓柱狀腔體（13）和PZT換能組件，圓柱狀腔體（13）包括耐高溫筒體（14），PZT換能組件包括懸臂梁支架（16）和固定于懸臂梁支架（16）上的PZT元件（17），懸臂梁支架（16）固定于耐高溫筒體（14）內(nèi)，PZT換能組件電學(xué)輸出電極（15）通過導(dǎo)線（18）與電池正極（19）、電池負極（20）連接，圓柱狀腔體（13）頂部的氣流入口端裝配活動式尖端噴嘴（12）；熱源腔體（1）的氣流出口端與圓柱狀腔體（13）的氣流入口端通過惰性氣體管道（22）封接，圓柱狀腔體（13）的氣流出口端與熱源腔體（1）的氣流入口端通過惰性氣體管道（22）封接，并充入惰性氣體（24），惰性氣體（24）在熱源腔體（1）、圓柱狀腔體（13）和惰性氣體管道（22）內(nèi)形成氣流循環(huán)；散熱器（21）固定于圓柱狀腔體（13）氣流出口端和熱源腔體（1）氣流入口端之間的惰性氣體管道壁（23）外表面。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池，其特征在于：懸臂梁支架（16）固定于耐高溫筒體（14）內(nèi)壁，懸臂梁支架（16）設(shè)有十六個垂直耐高溫筒體（14）的懸臂梁，懸臂梁支架（16）自上而下設(shè)有四個懸臂梁層，每個懸臂梁層均勻設(shè)有四個長度相同的懸臂梁，自上而下懸臂梁層內(nèi)的懸臂梁長度依次減小，且相鄰兩個懸臂梁層內(nèi)的懸臂梁順時針方向相錯夾角為22.5°；每個懸臂梁上表面均固定設(shè)有與懸臂梁長度相當(dāng)?shù)腜ZT元件（17）。

3.如權(quán)利要求2所述的一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池，其特征在于：PZT元件（17）包括自下而上依次設(shè)置的第一絕緣襯底（25）、金屬層（26）、第二絕緣襯底（27）和陶瓷層（28），金屬層（26）的一端和陶瓷層（28）的一端分別設(shè)有PZT元件電學(xué)輸出電極（29）。

4.如權(quán)利要求3所述的一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池，其特征在于：第一絕緣襯底（25）和第二絕緣襯底（27）的材質(zhì)相同，是SiO₂、硅膠或環(huán)氧樹脂；金屬層（26）是Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti薄膜；陶瓷層（28）的材質(zhì)是PbZrTiO₃，PZT元件電學(xué)輸出電極（29）材質(zhì)是金屬Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti。

5.如權(quán)利要求1至4任意一項所述的一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池，其特征在于：熱源腔體外殼（2）、熱源裝置外殼（4）、固定支架（8）、螺絲（9）、耐高溫筒體（14）、懸臂梁支架（16）和惰性氣體管道壁（23）的材質(zhì)相同，是316不銹鋼、304不銹鋼或310不銹鋼；熱反射層（3）的材質(zhì)是Al₂O₃；活動式尖端噴嘴（12）是槽縫式吹風(fēng)噴嘴或CC/C扇形噴嘴；電池正極（19）和電池負極（20）材質(zhì)相同，是金屬Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti；散熱器（21）是石墨散熱器或超導(dǎo)熱管；惰性氣體（24）是Ar或Ne。

6.如權(quán)利要求5所述的一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池，其特征在于：防輻射層（5）的材質(zhì)是鉭合金或者鉛薄膜或者有機玻璃和鐵復(fù)合材料或者樹脂和納米鉛復(fù)合材料或者樹脂和納米硫酸鉛復(fù)合材料；導(dǎo)熱筒（6）的材質(zhì)是BN；放射源（7）是α放射源：Am-241、Po-210、Pu-238或Pu-238氧化物，或者是β放射源：H-3、Ni-63、Pm-147、Sr-90、Sm-151或C-14。

7.一種基于PZT下的動態(tài)型同位素電池的制備方法，其特征在于：包括制備熱源結(jié)構(gòu)，制備換能結(jié)構(gòu)和組裝電池結(jié)構(gòu)，具體步驟如下：

1）制備熱源結(jié)構(gòu)

a、加熱淬火耐高溫不銹鋼制作成設(shè)計形狀的熱源腔體外殼（2）；

b、在熱源腔體外殼（2）內(nèi)表面涂刷或濺射熱反射層材料制備熱反射層（3）；

c、用耐高溫不銹鋼鍛造固定支架（8），將固定支架（8）焊接于熱源裝置外殼（4）外表面；

d、用螺絲（9）通過固定支架（8）將熱源裝置固定于熱源腔體外殼（2）上；

e、在熱源腔體外殼（2）兩端裝配氣動單向閥（11）；

2）制備換能結(jié)構(gòu)

a、制作第一絕緣襯底（25），在第一絕緣襯底（25）上表面采用濺射方法、蒸發(fā)方法或電鍍方法制備金屬薄膜作為金屬層（26）；

b、制作第二絕緣襯底（27），在第二絕緣襯底上表面采用溶膠凝膠法合成陶瓷層（28）；

c、用粘結(jié)劑將第二絕緣襯底（27）下表面與金屬層（26）上表面粘結(jié)，并分別在金屬層（26）的一端和陶瓷層（28）的一端采用濺射、蒸發(fā)或電鍍方法制備PZT元件電學(xué)輸出電極（29），通過光刻定義電極圖形，采用腐蝕或剝離方法實現(xiàn)金屬圖形化；

d、用耐高溫不銹鋼制作設(shè)計形狀的懸臂梁支架（16），用粘結(jié)劑將制作好的PZT元件（17）按長度大小依次粘結(jié)固定于相應(yīng)懸臂梁上表面，用導(dǎo)線（18）將PZT元件（17）以串聯(lián)方式連接，制成PZT換能組件電學(xué)輸出電極（15），形成PZT換能組件；

e、加熱淬火耐高溫不銹鋼制作成設(shè)計形狀的耐高溫筒體（14），將PZT換能組件焊接于耐高溫筒體（14）內(nèi)壁，用導(dǎo)線（18）將PZT換能組件電學(xué)輸出電極（15）與電池正極（19）、電池負極（20）連接；

f、分別在耐高溫筒體（14）頂部和底部焊接耐高溫不銹鋼板，制成圓柱狀腔體（13），在圓柱狀腔體（13）頂部和底部的耐高溫不銹鋼板中心處打孔，作為圓柱狀腔體（13）的氣流入口端和氣流出口端，并在圓柱狀腔體（13）的氣流入口端裝配活動式尖端噴嘴（12）；

3）組裝電池結(jié)構(gòu)

a、將熱源腔體（1）的氣流出口端與圓柱狀腔體（13）的氣流入口端通過惰性氣體管道（22）對接，對接時，以橡膠墊圈為墊片，采用外加固定結(jié)構(gòu)進行裝配；

b、將圓柱狀腔體（13）的氣流出口端與熱源腔體（1）的氣流入口端通過惰性氣體管道（22）對接，對接時，以橡膠墊圈為墊片，采用外加固定結(jié)構(gòu)進行裝配，并充入惰性氣體（24）；

c、在圓柱狀腔體（13）氣流出口端與熱源腔體（1）氣流入口端之間的惰性氣體管道壁（23）外表面固定安裝散熱器（21）。