[發明專利]一種法蘭一體化碳/碳屏柵極結構及其制備方法

有效

• 申請號: 202111051206.3
• 申請日: 2021-09-08
• 公開（公告）號: CN113773102B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 江汛;易增博;張鴻翔;夏天;趙宗嚴;楊澤成
• 申請（專利權）人: 陜西天策新材料科技有限公司
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/52;C04B35/622
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發明屬于離子推進器技術領域，公開一種用于空間離子推進器用的法蘭一體化碳/碳屏柵極結構及其制備方法；所述方法包括：步驟1、制備面密度為100?200g/m²的纖維單向預浸料；步驟2、將若干層纖維單向預浸料由下至上逐層鋪貼于金屬一體化屏柵模具中，進行壓制固化形成邊緣帶有加強筋法蘭結構的坯板；步驟3、將屏柵極薄坯板安裝于石墨一體化屏柵模具中，進行碳化；步驟4、致密化處理；步驟5、加工柵極離子通過孔和法蘭連接孔。本發明采用柵極支撐環和柵極一體化結構和制備方法，解決了現有碳碳屏柵極加工后變形大，平面度差的問題，減少裝配應力。同時省去柵極支撐環和柵極的連接螺釘，降低裝配難度。

技術領域

本發明屬于離子推進器技術領域，特別涉及一種用于空間離子推進器用的法蘭一體化碳/碳屏柵極結構及其制備方法。

背景技術

空間離子光學系統(也稱柵極組件)由屏柵極和加速柵極組成，是空間離子推進器的關鍵組件之一。其中柵極通常是使用0.3～1.5mm很薄的圓形材料制備，在圓形中間約占圓形表面80％的區域加工大量密集的直徑為1～4mm的離子通過孔，圓形邊緣加工6～12個安裝孔。由于柵極之間的安裝距離一般小于1mm，當在屏柵加正電位，加速柵加負電位情況下，電極之間會形成強度很高的靜電場系統，從而聚焦并加速放電室工質氣體電離后產生的離子穿過離子通過孔，形成空間推力。柵極組件的材料和結構不但直接關系到離子推進器的，還決定著推進器的可靠性和壽命，是離子電推進器的重點研究對象。

為了獲得更好的推力、比沖、效率等性能參數，要求柵極系統中的屏柵極厚度不能超過0.8mm，中間區域離子通過孔在數量和加速柵一樣的情況下，孔的面積要盡可能的大，這就導致孔與孔之間連接的材料很少，兩孔之間剩余材料的寬度一般在0.25～0.5mm之間，同時為保證柵極之間不導通，要求屏柵極在大量去除材料后還要保持良好的面的平整度和較高的剛度。

傳統柵極板為鉬合金材料，屏柵在離子通過孔加工后還需要二次高溫整形。另外，離子電推進器放電室的等離子體在電離和加速過程中會放出大量的熱量，這些熱量分布不均勻，會對很薄的鉬合金材料柵極產生熱變形和熱應力。造成網眼軸線偏斜，甚至造成加速柵極和屏柵極接觸短路，使得柵極組件失效。隨著離子推進器空間應用壽命需求的不斷增加，鉬合金材料組成的柵極組件很難滿足在高速流密度和高比沖下的熱穩定性、耐離子濺射能力。

文獻報道國外采用碳基材料如熱解石墨，PG，和C/C復合材料制備柵極的報告，以上的碳材料具有接近零的熱膨脹系數，比鉬合金材料更低的離子濺射率以及耐高溫和低密度的特點。其中C/C復合材料因為有碳纖維增強結構，有較強的剛度在是制造大尺寸柵極離子推進器柵極，是屏柵極最為理想的材料。

中國專利申請CN111646814A號，公開《一種離子推進器C/C柵極的制作方法》是采用先碳纖維編織后網格碳布預制體后碳化和沉積的方法制備屏柵和加速柵的兩種柵極。這種方法有兩個問題，雖然纖維是連續的，但在編織過程中纖維要穿過很多導柱，致使纖維之間應力存在差異，固化以及碳化過程中易造成平面不平。工作狀態下熱應力產生更大的形變。第二，由于纖維編織結構是六邊形，因此制備圓孔部分邊緣僅為純碳基結構，強度低，易在離子濺射下脫落。制備屏柵極編織難度則更為困難。