衛(wèi)星場致發(fā)射電推進器的發(fā)射體制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星場致發(fā)射電推進發(fā)射體的制備方法，該方法利用化學氣相沉積（CVD）方法在多孔氧化鋁模板（AAO）內(nèi)生長碳納米管，并通過等離子處理和化學刻蝕方法，除去氧化鋁模板表面的碳，并將碳納米管從氧化鋁中暴露出來，而形成針孔狀發(fā)射體陣列。該方法可以制備分布均勻、大小均一、發(fā)射體頂部曲率半徑20nm-500nm的碳納米管發(fā)射體陣列，將其作為場致發(fā)射電推進器（FEEP）的發(fā)射體與推進器儲箱相連，在推進器中正負電極所產(chǎn)生的電場下，就可以將推進器儲箱內(nèi)的液態(tài)金屬通過該發(fā)射體發(fā)射出去，形成推力。該方法即可實現(xiàn)納米尺度的FEEP推進器的發(fā)射體。
【專利說明】衛(wèi)星場致發(fā)射電推進器的發(fā)射體制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器推進技術(shù)的研究領(lǐng)域，特別是涉及一種將碳納米管材料應(yīng)用到FEEP (場致發(fā)射電推進)發(fā)射體的中的發(fā)射體制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]重力波探測衛(wèi)星等航天任務(wù)對軌道和姿態(tài)的控制有著極高的要求，這就要求控制衛(wèi)星軌道和姿態(tài)的推進器必須能提供微牛(μ N)至毫牛(mN)量級的推力。基于場致發(fā)射電推進(Field emission electric propulsion, FEEP)的電推進器因其推力小(μ N 至 mN 量級)，推力控制精度高(μΝ量級)，比沖大(3000S-10000S)，是解決航天器高精度姿態(tài)、軌道控制問題的主要技術(shù)手段之一。
[0003]FEEP推進器的性能與其發(fā)射體的幾何形狀有很大關(guān)聯(lián)。發(fā)射體的幾何形狀對推進器的相關(guān)參數(shù)以及長期工作可靠性都有著重要影響。FEEP發(fā)射體的形狀可以分為兩類:針尖形狀和針孔形狀。一般情況下，當發(fā)射體的曲率半徑越小時，推進器的性能越優(yōu)異。包括MEMS技術(shù)在內(nèi)的多種工藝被用來將金屬或硅的體材料制備成小尺寸的FEEP發(fā)射體。但是，受現(xiàn)有制備技術(shù)限制，衛(wèi)星FEEP推進器的發(fā)射體難以小型化，達到納米量級，，同時，F(xiàn)EEP推進器在工作時需要高壓等工作條件，這嚴重影響了 FEEP推進器的推進性能和可靠性?；诖?，制備曲率半徑小于10 μ m的發(fā)射體在FEEP推進器【技術(shù)領(lǐng)域】仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，特別是針對發(fā)射體，還沒有合適的制備方法，能夠解決小尺寸發(fā)射體的制備問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的之一是提供一種制備納米尺度FEEP發(fā)射體的方法，該方法利用自組織生長制備的碳納米管材料作為FEEP針孔狀發(fā)射體，解決小尺寸發(fā)射體制備問題。該方法利用氧化招模板(Anodic aluminum oxide,AA0)上有自組織形成的有序排列六角形納米孔，并采用化學氣相沉積方法在氧化鋁模板的納米孔中生長高度取向的碳納米管陣列，通過等離子體處理和化學刻蝕過程，得到尺寸均一，分布均勻，且頂部開頭的碳納米管陣列，這些碳納米管是良好的針孔狀發(fā)射體，其尖端曲率半徑在幾十納米。因此，這種方法可以很容易制備小尺寸的FEEP發(fā)射體，解決小尺寸FEEP發(fā)射體的制備問題。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0006]一種衛(wèi)星場致發(fā)射電推進發(fā)射體的制備方法，該方法利用化學氣相沉積(CVD)方法在多孔氧化鋁模板(AAO)內(nèi)生長碳納米管，多孔氧化鋁模板內(nèi)的通孔直徑在IOOnm左右，在氧化鋁模板上下表面和通孔內(nèi)壁上沉積一層用于后續(xù)步驟沉積碳的催化劑，化學氣相沉積過程時，在催化劑的作用下模板的上下表面和每個通孔的內(nèi)壁上沉積一層碳，利用等離子體去除模板上下表面的碳，而不會去除通孔內(nèi)壁上的碳，再通過化學刻蝕方法除去氧化鋁模板，使碳納米管從其中暴露出來，形成尺寸均一、分布均勻的針孔狀發(fā)射體陣列。
[0007]其中，具體包括如下步驟:
[0008]首先，利用多孔氧化鋁模板制備通孔氧化鋁模板；[0009]其次，將通孔氧化鋁模板放入濃度為5%_15%的Fe (NO3) 3或CO (NO3) 3、Ni (NO3) 3的水溶液中，浸泡5-20分鐘，取出晾干后，放入加熱爐中在200°C _300°C下加熱I小時至24小時，使得氧化鋁模板上下表面以及每個通孔內(nèi)壁上都浸有的金屬鹽溶液，并在加熱過程中讓金屬鹽在空氣中發(fā)生化學反應(yīng)變成金屬氧化物，例如氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳；
[0010]第三，將氧化鋁模板放入CVD設(shè)備中，在Ar保護下升溫至600°C -1000°C，當?shù)竭_設(shè)定溫度后，通入H2氣10-60分鐘，使得金屬氧化物還原為金屬，再通入CH4或C2H4X2H2等含碳有機氣體10-60分鐘，在金屬的催化作用下，含碳有機氣體發(fā)生裂解，在氧化鋁模板的孔壁和外表面上沉積一層無定形碳，其中，氧化鋁模板孔內(nèi)沉積的無定形碳形成了碳納米管結(jié)構(gòu)；
[0011]第四，降溫取出氧化鋁模板，放入等離子處理設(shè)備中，在氧等離子體環(huán)境下處理10-30分鐘，利用氧等離子體反應(yīng)掉氧化鋁模板表面的無定形碳，氧等離子體進入不到氧化鋁模板的孔內(nèi)，氧化鋁模板孔壁上的無定形碳則會保留下來；
[0012]第五，將氧化鋁模板放入氫氧化鈉腐蝕夜中，對其一個面進行部分化學刻蝕，通過刻蝕后，氧化鋁被部分刻蝕掉，而碳納米管則暴露出來，形成針孔狀發(fā)射體。
[0013]其中，碳納米管的直徑在20nm-500nm之間。
[0014]本發(fā)明在多孔氧化鋁模板內(nèi)沉積碳而形成的碳納米管，碳納米管尺寸與氧化鋁模板中孔徑大小一致，碳納米管的分布也與氧化鋁模板孔的分布一致。由于氧化鋁模板的孔分布均勻，各個孔的大小一樣，且孔的大小可以通過化學刻蝕條件改變，可以實現(xiàn)孔的直徑在20nm-500nm變化，因此,該方法可以制備分布均勻、大小均一、發(fā)射體頂部曲率半徑20nm-500nm的碳納米管發(fā)射體陣列。即實現(xiàn)納米尺度的FEEP推進器的發(fā)射體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的衛(wèi)星場致發(fā)射電推進器發(fā)射體的制備過程示意圖。
[0016]圖中:1-多孔氧化鋁模板，其中1.1為氧化鋁，1.2為模板中的通孔；2_沉積無定形碳的多孔氧化鋁模板，其中2.1為在氧化鋁模板表面沉積的無定形碳，2.2為在氧化鋁模板通孔內(nèi)壁沉積的無定形碳，通孔內(nèi)的無定形碳連接在一起形成碳納米管；3_只內(nèi)孔內(nèi)有碳沉積的氧化鋁模板；4_基于氧化鋁模板的碳納米管陣列孔徑型發(fā)射體，其中4.1為暴露出的碳納米管。
[0017]圖2為應(yīng)用本發(fā)明的衛(wèi)星場致發(fā)射電推進器發(fā)射體的電推進器示意圖。
[0018]圖中，5-金屬儲箱；6_金屬液體；7_基于氧化鋁模板的碳納米管陣列孔徑型發(fā)射體；8_金屬陰極；9_被發(fā)射的金屬離子；10_正電極引線；11_負電極引線
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明，但這些僅僅是示例性的，并不旨在對本發(fā)明的保護范圍進行任何限制。
[0020]圖1為本發(fā)明的衛(wèi)星場致發(fā)射電推進器發(fā)射體的制備過程示意圖。如圖所示，本發(fā)明的制備方法包括如下步驟:首先，需要一個通孔氧化鋁模板1，該模板是由鋁通過液相氧化反應(yīng)制備得到，材質(zhì)為氧化鋁1.2，其中有分布均勻、尺寸一致的通孔1.1。
[0021 ] 其次，將通孔氧化鋁模板放入濃度為5%_15%的Fe (NO3) 3或CO (NO3) 3、Ni (NO3) 3的水溶液中，浸泡5-20分鐘。取出晾干后，放入加熱爐中在200°C _300°C下加熱I小時至24小時，使得金屬鹽在空氣中發(fā)生化學反應(yīng)變成金屬氧化物。然后將氧化鋁模板放入CVD設(shè)備中，在Ar保護下升溫至600°C -1OOO0C。當?shù)竭_設(shè)定溫度后，通入H2氣10分鐘，使得金屬氧化物還原為金屬。再通入CH4或C2H4、C2H2等含碳有機氣體10分鐘。在金屬的催化作用下，含碳有機氣體發(fā)生裂解，得到覆蓋有無定形碳的氧化鋁模板2。其中，氧化鋁模板上下表面覆蓋的無定形碳2.1，氧化鋁模板孔內(nèi)沉積的無定形碳形成了碳納米管結(jié)構(gòu)2.2。
[0022]第三，將覆蓋有無定形碳的氧化鋁模板2放入氧等離子體環(huán)境中，利用氧等離子體與碳反應(yīng)生成CO2或CO，從而除去氧化鋁模板上下表面的無定形碳，得到只內(nèi)孔內(nèi)有碳沉積的氧化鋁模板3。
[0023]第四，將氧化鋁模板3的一面利用NaOH溶液進行化學刻蝕，刻蝕掉部分氧化鋁材料，由于碳不與NaOH反應(yīng)，因此碳材料保存下來，形成暴露在外的碳納米管4.1，從而得到基于氧化鋁模板的碳納米管陣列針孔型發(fā)射體4。
[0024]將本發(fā)明的碳納米管陣列針孔型發(fā)射體安裝在FEEP推進器上，如圖2所示。金屬儲箱5通過引線10接正電極，儲箱內(nèi)部存儲液態(tài)金屬。儲箱一端呈圓錐體狀，錐體尖端安裝碳納米管陣列針孔型發(fā)射體7。液態(tài)金屬在毛細作用力的作用下會填充入發(fā)射體7的碳納米管管內(nèi)。在發(fā)射體前端設(shè)置一金屬陰極8，金屬陰極8通過引線11接負電位。當施加電壓后，發(fā)射體7每個碳納米管尖端表面形成強電場，在電場的作用下，碳納米管管內(nèi)的液態(tài)金屬被電離并脫離液面發(fā)射出去，形成高速噴射的金屬離子9，從而獲得推力。
[0025]盡管上文對本專利的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明專利的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本專利的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種衛(wèi)星場致發(fā)射電推進發(fā)射體的制備方法，該方法利用化學氣相沉積(CVD)方法在多孔氧化鋁模板(AAO)通孔內(nèi)生長碳納米管，多孔氧化鋁模板內(nèi)的通孔直徑在IOOnm左右，在氧化鋁模板上下表面和通孔內(nèi)壁上沉積一層用于后續(xù)步驟沉積碳的催化劑，化學氣相沉積過程時，在催化劑的作用下模板的上下表面和每個通孔的內(nèi)壁上沉積一層碳，利用等離子體去除模板上下表面的碳，而不會去除通孔內(nèi)壁上的碳，氧化鋁模板孔內(nèi)沉積的無定形碳形成了碳納米管結(jié)構(gòu)，再通過化學刻蝕方法部分除去氧化鋁模板，使碳納米管從其中暴露出來，形成尺寸均一、分布均勻的針孔狀發(fā)射體陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，具體包括如下步驟: 首先，利用多孔氧化鋁模板制備通孔氧化鋁模板； 其次，將通孔氧化鋁模板放入濃度為5%-15%的Fe (NO3) 3或CO (NO3) 3、Ni (NO3) 3的水溶液中，浸泡5-20分鐘，取出晾干后，放入加熱爐中在200°C _300°C下加熱I小時至24小時，該過程使得氧化鋁模板上下表面以及每個通孔內(nèi)壁上都浸有的金屬鹽溶液，并在加熱過程中讓金屬鹽在空氣中發(fā)生化學反應(yīng)變成金屬氧化物； 第三，將氧化鋁模板放入CVD設(shè)備中，在Ar保護下升溫至600°C -1000°C，當?shù)竭_設(shè)定溫度后，通入H2氣10-60分鐘,使得金屬氧化物還原為金屬,再通入含碳有機氣體10-60分鐘，在金屬的催化作用下，含碳有機氣體發(fā)生裂解，在氧化鋁模板的上下表面以及通孔孔壁上沉積一層無定形碳，其中，氧化鋁模板孔內(nèi)沉積的無定形碳形成了碳納米管結(jié)構(gòu)； 第四，降溫取出氧化鋁模板，放入等離子處理設(shè)備中，在氧等離子體環(huán)境下處理10-30分鐘，利用氧等離子體反應(yīng)掉氧化鋁模板上下表面處的無定形碳，等離子體接觸不到氧化鋁模板通孔內(nèi)部的碳，氧化鋁通孔內(nèi)孔壁上的無定形碳則會保留下來； 第五，將氧化鋁模板放入氫氧化鈉腐蝕夜中，對其一個面進行部分化學刻蝕，通過刻蝕后，氧化鋁被部分刻蝕掉，而孔壁上的碳卻保留下來，使得碳納米管暴露出來，形成針孔狀發(fā)射體。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，含碳有機氣體為CH4或C2H4、C2H20
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的制備方法，其中，碳納米管的直徑在20nm-500nm之間。
5.如權(quán)利要求1-3任一項所述的制備方法，其中，所述金屬氧化物為氧化鐵、氧化鈷或氧化鎳。
【文檔編號】F03H1/00GK103606499SQ201310511888
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】劉宇明, 田東波, 牟永強, 劉向鵬, 翟睿瓊, 于兆吉, 姜利祥 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所