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

有效

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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于同位素電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于PZT下的動(dòng)態(tài)型同位素電池；本發(fā)明還涉及一種基于PZT下的動(dòng)態(tài)型同位素電池的制備方法。

背景技術(shù)

原子核成分（或能態(tài)）自發(fā)地發(fā)生變化，同時(shí)放射出射線的同位素稱為放射性同位素。放射性同位素電池，簡(jiǎn)稱同位素電池，正是直接利用放射性同位素衰變釋放出射線所具有的電能或是利用換能器件將放射性同位素衰變釋放出射線的能量轉(zhuǎn)換成電能，并將電能輸出，從而達(dá)到供電目的。由于同位素電池具有服役壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、無(wú)需維護(hù)、小型化等優(yōu)點(diǎn)，目前已在軍事國(guó)防、航天航海、極地探測(cè)、生物醫(yī)療、電子工業(yè)等重要領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

同位素電池首先由英國(guó)物理學(xué)家Henry Mosley于1913年提出，而有關(guān)同位素電池的研究主要集中在過(guò)去的50年里，其大致可分為四類：①靜態(tài)輻射熱轉(zhuǎn)換方式同位素電池的研究；②動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制（動(dòng)態(tài)型）同位素電池的研究；③輻射伏特效應(yīng)同位素電池的研究；④其他輻射效應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制同位素電池的研究。上述四類同位素電池的研究結(jié)果表明，能量轉(zhuǎn)換效率低仍是目前同位素電池的共性所在。靜態(tài)輻射熱轉(zhuǎn)換方式同位素電池的發(fā)展主要得益于國(guó)家層面的研究開(kāi)發(fā)，特別是溫差式熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制同位素電池的設(shè)計(jì)與制造目前在美國(guó)已日趨完善，但目前靜態(tài)輻射熱轉(zhuǎn)換方式同位素電池的熱電轉(zhuǎn)換效率仍較低，僅為4%～8%，導(dǎo)致其使用區(qū)域大幅減小、民用化過(guò)程較為困難。輻射伏特效應(yīng)同位素電池以半導(dǎo)體材料為換能單元，可實(shí)現(xiàn)同位素電池器件小型化，擴(kuò)大了同位素電池的應(yīng)用范圍，且隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展取得了一定的研究成效，但輻射伏特效應(yīng)同位素電池存在長(zhǎng)期輻照下半導(dǎo)體材料性能退化的問(wèn)題，降低了輻射伏特效應(yīng)同位素電池的使用壽命。與靜態(tài)輻射熱轉(zhuǎn)換方式同位素電池和輻射伏特效應(yīng)同位素電池相比，動(dòng)態(tài)型同位素電池具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，使其成為目前同位素電池的重要研究方向，但傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)型同位素電池存在高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件潤(rùn)滑困難、高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性矢量影響系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)瓶頸。本發(fā)明提出的一種基于PZT下的動(dòng)態(tài)型同位素電池可突破傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)型同位素電池存在的上述技術(shù)瓶頸，同時(shí)有效提升動(dòng)態(tài)型同位素電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)型同位素電池存在的高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件潤(rùn)滑困難、高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性矢量影響系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題，本發(fā)明的第一目的在于提供一種能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大、工作穩(wěn)定性強(qiáng)的基于PZT下的動(dòng)態(tài)型同位素電池。本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于PZT下的動(dòng)態(tài)型同位素電池的制備方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第一目的所提出的一種基于PZT下的動(dòng)態(tài)型同位素電池：包括熱源結(jié)構(gòu)、換能結(jié)構(gòu)、散熱器和惰性氣體管道；熱源結(jié)構(gòu)包括熱源腔體和熱源裝置，熱源腔體包括熱源腔體外殼，熱源腔體外殼內(nèi)表面設(shè)有熱反射層，熱源腔體外殼兩端漸變收縮并裝配氣動(dòng)單向閥，熱源裝置包括設(shè)有夾層的導(dǎo)熱筒，導(dǎo)熱筒夾層內(nèi)裝放射源，導(dǎo)熱筒內(nèi)、外壁均設(shè)有防輻射層，熱源裝置被封裝于熱源裝置外殼內(nèi)，熱源裝置外殼外表面均勻設(shè)有三個(gè)固定支架，熱源裝置利用螺絲通過(guò)固定支架固定于熱源腔體外殼上，熱源裝置中間設(shè)有通孔；換能結(jié)構(gòu)包括活動(dòng)式尖端噴嘴、圓柱狀腔體和PZT換能組件，圓柱狀腔體包括耐高溫筒體，PZT換能組件包括懸臂梁支架和固定于懸臂梁支架上的PZT元件，懸臂梁支架固定于耐高溫筒體內(nèi)，PZT換能組件電學(xué)輸出電極通過(guò)導(dǎo)線與電池正極、電池負(fù)極連接，圓柱狀腔體頂部的氣流入口端裝配活動(dòng)式尖端噴嘴；熱源腔體的氣流出口端與圓柱狀腔體的氣流入口端通過(guò)惰性氣體管道封接，圓柱狀腔體的氣流出口端與熱源腔體的氣流入口端通過(guò)惰性氣體管道封接，并充入惰性氣體，惰性氣體在熱源腔體、圓柱狀腔體和惰性氣體管道內(nèi)形成氣流循環(huán)；散熱器固定安裝于圓柱狀腔體氣流出口端和熱源腔體氣流入口端之間的惰性氣體管道壁外表面。

PZT元件包括第一絕緣襯底、金屬層、第二絕緣襯底和陶瓷層，金屬層的一端和陶瓷層的一端分別設(shè)有PZT元件電學(xué)輸出電極；懸臂梁支架固定于耐高溫筒體內(nèi)壁，懸臂梁支架設(shè)有十六個(gè)垂直耐高溫筒體的懸臂梁，懸臂梁支架自上而下設(shè)有四個(gè)懸臂梁層，每個(gè)懸臂梁層均勻設(shè)有四個(gè)長(zhǎng)度相同的懸臂梁，自上而下懸臂梁層內(nèi)的懸臂梁長(zhǎng)度依次減小，且相鄰兩個(gè)懸臂梁層內(nèi)懸臂梁順時(shí)針?lè)较虻南噱e(cuò)夾角為22.5°；每個(gè)懸臂梁上表面均固定設(shè)有與懸臂梁長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)腜ZT元件。