CN103002602B - 用于内置式多孔加热器的一体化发热芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于内置式多孔加热器的一体化发热芯及其制备方法。该一体化发热芯包括发热体、发热体骨架和过渡线；发热体为螺旋状，其材质为条形网状多孔镍铬合金或条形网状多孔镍铬铝合金；发热体骨架由七根多孔氮化硼管经密排而成；所述密排具体为六根周边多孔氮化硼管以一根中心多孔氮化硼管为中心对称排布；中心多孔氮化硼管管内放置隔片，周边多孔氮化硼管的两端开有槽口，发热体经槽口依次往复穿入周边多孔氮化硼管；发热体两端与过渡线焊接后从中心氮化硼管中隔片两侧引出。它是制作内置式加热器的基础，具有高电阻、小尺寸、结构稳定、热交换率高、透气性好、绝缘性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及航天飞行器电热推力器热控设施中的加热元件，具体为用于内置式多孔加热器的一体化发热芯及其制备方法。
背景技术
我国航天科技集团公司于二十世纪末开始发射一系列卫星和飞船等空间飞行器，包括低轨道、长寿命、三轴稳定对地观察卫星。目前该类卫星多采用单组元推进剂(肼)催化分解式推力器进行姿态和轨道调整，在轨运行对催化剂要求苛刻，冷启动会极大损伤催化剂的寿命。为此采用在推力室外包覆热控设施的方案，用外部加热器对催化床长期加热，这不仅消耗星上大量的宝贵资源，也降低了整星的可靠性。为提高推力器的比冲，节省星上能源，国外发展了新型的电热肼推力器，将电热元件安装在推力器内部，即用内置式加热器取代催化床，使肼直接与发热体接触受热分解。
电热肼推力器对内置式加热器的发热芯提出了很高的要求：阻值满足设计指标，功率稳定；与肼及肼分解气氛相容；比表面积大，热交换交换效率高；孔隙率高，不影响介质的流动。现有的发热芯无法满足以上要求，本发明为内置式多孔加热器的一体化发热芯的全新设计和制作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率稳定、结构可靠、绝缘性好和换热效率高的用于内置式多孔加热器的一体化发热芯及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种用于内置式多孔加热器的一体化发热芯，该一体化发热芯包括发热体、发热体骨架和过渡线；发热体为条形螺旋状，发热体骨架由七根氮化硼管经密排而成，所述密排具体为六根周边氮化硼管以一根中心氮化硼管为中心对称排布；中心氮化硼管管内轴向放置隔片，周边氮化硼管的两端开有槽口，发热体经槽口依次往复穿入周边氮化硼管；发热体两端与过渡线焊接后将过渡线从中心氮化硼管中隔片两侧引出；氮化硼管间用无机胶固定。
所述发热体其材质为网状多孔镍铬合金或网状多孔镍铬铝合金，是由相互连通的中空薄壁金属棱构成三维网状多孔结构，其孔隙相互连通、分布均匀；孔隙率为90～98％，孔径尺寸为90～110PPI；所述网状多孔镍铬合金中铬的质量百分含量为18～35％；所述网状多孔镍铬铝合金中铬的质量百分含量为18～35％，铝的质量百分含量为2～10％。
所述周边氮化硼管的内径为3～5mm，壁厚为0.2～0.5mm，长度为10～15mm；所述中心氮化硼管其长度为周边氮化硼管的五分之四到二分之一之间，其厚度为周边氮化硼管的一倍到二倍之间，其内径与周边氮化硼管相同。
所述氮化硼管其孔洞在管的圆周上均匀分布，相邻二排孔洞间隔排列，即某一个孔洞的圆心在邻排两孔洞圆心连线的垂直平分线上；孔洞总面积大于管壁面积的50％。
所述隔片为条形氮化硼，其长度和厚度分别与中心氮化硼管的长度和壁厚相同，其宽度与中心氮化硼管的内径相同。
发热体骨架前端面从第一周边氮化硼管到第六周边氮化硼管间隔着于两管相切处开前端面双壁槽口三处，分别为第一周边氮化硼管和第二周边氮化硼管相切处、第三周边氮化硼管和第四周边氮化硼管相切处、第五周边氮化硼管和第六周边氮化硼管相切处；发热体骨架后端面在第二周边氮化硼管和第三周边氮化硼管相切处、第四周边氮化硼管和第五周边氮化硼管相切处开后端面双壁槽口二处；发热体骨架后端面在第一周边氮化硼管和中心氮化硼管相切延伸处、第六周边氮化硼管和中心氮化硼管相切延伸处开单壁槽口两处。
上述的一体化发热芯的制备方法，包括如下步骤：
(1)条形螺旋状发热体的制备：
将泡沫镍板加工为条形螺旋状的泡沫镍后，对条形螺旋状的泡沫镍采用固相渗铬法渗铬后进行真空热处理，获得网状多孔镍铬合金；或者将条形螺旋状的泡沫镍采用固相渗铬、再渗铝后进行真空热处理，获得网状多孔镍铬铝合金；
(2)发热体骨架的制备：
首先制备氮化硼管和氮化硼隔片的制备：采用化学气相沉积法在不同外径的碳棒或碳片上沉积不同厚度和长度的氮化硼管，用机械和煅烧的方法去除氮化硼管内或碳片上的碳，获得氮化硼管或氮化硼隔片；
然后按设计要求在氮化硼管上打孔，再切割为所设计的尺寸；
最后将七根有孔的氮化硼管紧密排列，用微型钻按照设计要求在周边氮化硼管两端开槽口；
(3)发热体的穿绕：
发热体从第一周边氮化硼管后端穿入，然后依次通过第二周边氮化硼管到第六周边氮化硼管及前端面双壁槽口、后端面双壁槽口，最后从第六周边氮化硼管后端穿出；发热体两端再经单壁槽口穿入中心氮化硼管中由过渡线引出；条形螺旋状发热体的各弯折处须嵌入各槽口；具体为：条形螺旋状的发热体从第一周边氮化硼管后端放入，到达第一周边氮化硼管前端后，再从第二周边氮化硼管前端进入，到达第二周边氮化硼管后端后，再进入第三周边氮化硼管，依次往复，最后从第六周边氮化硼管中穿出，然后将第一周边氮化硼管和第六周边氮化硼管中的发热体两端与两根过渡线分别焊接，然后将过渡线从中心氮化硼管中引出，保证两个焊接点在中心氮化硼管内；发热体从一根氮化硼管进入另一根氮化硼管时，其弯折处要嵌入各双壁槽口，发热体两端与过渡线连接后进入中心氮化硼管时，要经由两个单壁槽口进入。
(4)发热体的引出：
发热体两端分别与同成分合金过渡线连接，过渡线截面积为网状多孔材料真实截面积的4～5倍；每根过渡线整根对折，两个并拢端头的一端往返折叠作为搭接处，另一端作为缠绕丝；发热体的端头与过渡线的搭接处捏合，用缠绕丝固定后采用脉冲点焊；发热体两端与过渡线焊接后，将两根过渡线从中心氮化硼管中引出，隔片将两根过渡线分开，发热体与过渡线的连接点在中心氮化硼管内部。
氮化硼管间固定用的无机胶为硅酸盐耐高温无机胶，由液相成分与固相成分混合而成，其固相成分与液相成分质量比为2∶1；液相成分为硅酸钾溶液，固相成分为二氧化硅粉末与氧化铝粉末混合而成，二氧化硅粉末与氧化铝粉末的质量比3∶1。
上述一体化发热芯应用于航天飞行器姿、轨控推力器所用的内置式多孔加热器中。
一体化发热芯的制备工艺具体步骤如下：
1)氮化硼管和氮化硼片的制备
采用化学气相沉积法在不同外径的碳棒上沉积不同厚度和长度的氮化硼管，用机械和煅烧的方法去除氮化硼管内的碳棒。氮化硼片制备方法相似。
2)氮化硼管打孔
确定好周边氮化硼管和中心氮化硼管的长度、孔洞的个数、孔径、孔间距等参数，设置好脉冲激光加工机设备参数，按设计要求打孔。
3)氮化硼管和氮化硼片的切割
使用划片切割机将打好孔洞的氮化硼管和氮化硼片按设计尺寸切割，然后清洗干净。
4)多孔氮化硼管端面开槽口
将7根氮化硼管紧密排列，中心为略短的氮化硼管，各管前端面对齐，然后用细金属丝捆扎紧固；用微型钻按照设计要求在发热芯的上下端面开槽口，操作时缓慢打磨，避免大片氮化硼脱落。
5)条形螺旋状发热体的制备
将泡沫镍板材用数控线切割机床加工成所需尺寸的条形，然后在细陶瓷管上缠绕为螺旋状，清洗干燥后经固相渗铬(或渗铬后再渗铝)、真空热处理，得到三维网状多孔的条形螺旋状的镍铬或镍铬铝发热体。
6)发热体的穿绕
将条形螺旋状发热体依次往复穿装入周边的六根多孔氮化硼管，注意发热体在各管端的弯折处应放置在槽口内。
7)发热体的电引出
在中心氮化硼管中，将发热体两端分别与两根过渡线焊接在一起，过渡线从插入氮化硼隔片的中心氮化硼管穿出，隔片将两根过渡线分开，防止短路。
8)发热体骨架的固定
将穿绕发热体的周边六根氮化硼管与中心氮化硼管按照排列顺序和开槽口位置用无机胶粘牢并放置一定时间固化。
上述条形螺旋状发热体的制备方法中：所述泡沫镍板由聚氨酯泡沫经过导电化处理、电镀和还原烧结制成；泡沫镍板加工为细条形后，根据内置式多孔加热器的结构及技术指标，确定绕制螺径和螺距，将其缠绕成螺旋状，制成条形螺旋状泡沫镍。
泡沫镍固相渗铬法即为粉末包埋渗铬法，粉末包埋渗铬法在管式高温炉中进行，其中：温度950～1100℃，保温时间10～60min，渗剂由氧化铝粉(1200目)、铬粉(300目)和氯化铵(分析纯)混合后并经充分研磨而成，氧化铝粉、铬粉和氯化铵的重量百分为含量为(70～83)∶(15～25)∶(2～5)。
所述固相渗铝法即为粉末包埋渗铝法，在条形螺旋状的泡沫镍经固相渗铬后再进行固相渗铝，粉末包埋渗铝法在管式高温炉中进行，其中：温度700～800℃，保温时间10～40min，渗剂由氧化铝粉(1200目)、铝镍合金(化学纯)和氯化铵(分析纯)混合后并经充分研磨而成，氧化铝粉、铝镍合金和氯化铵的重量比例为(80～83)∶15∶(2～5)。
所述粉末包埋法渗铬和渗铝时，首先用机械泵抽真空30min，去除管式高温炉、管路和渗剂中的氧气，再通入保护性气体(纯氩气)，同时对保护性气体进行除氧和除水处理。采用活性镍除氧剂去除氧，采用4A分子筛去除水。渗铬或者渗铝时将渗剂和样品装载在石英管或者氧化铝管中，两端用高硅氧布或者镍箔封口。
所述真空热处理方法为，将渗铬或者渗铝后的样品放入真空炉中，真空度为(1～5)×10-3Pa，加热到1000～1100℃后，保温2～10h，然后随炉冷却至室温，得到网状多孔电热材料，冷却速率由材料要求决定。
所述泡沫镍板，依据内置式多孔加热器的结构和技术指标，确定其规格和尺寸。
本发明的有益效果是：
1、本发明一体化发热芯应用于航天飞行器电热推力器内置式多孔加热器中，能满足电热推力器对加热元件的各项技术要求，骨架对发热体既能起到支撑作用又能起到绝缘保护的作用。
2、本发明一体化发热芯的发热体为网状多孔镍铬(或镍铬铝)电热合金，热交换效率高，透气性好。
3、发热体骨架采用多孔氮化硼管的密排结构，既能得到最大的空间利用率，又不阻挡被加热介质流动和接触发热体。
4、在多孔氮化硼管端面开槽口，能让经过两管间的发热体嵌入槽口而不在端面突起，以保证发热体在安装和使用过程中不受到机械损伤。
附图说明
图1为本发明发热体骨架结构示意图。
图2为本发明发热体骨架前端面结构示意图。
图3为本发明一体化发热芯后端面结构示意图。
图4为本发明一体化发热芯前端面结构示意图。
图中：1为第一周边氮化硼管，2为第二周边氮化硼管，3为第三周边氮化硼管，4为第四周边氮化硼管，5为第五周边氮化硼管，6为第六周边氮化硼管，7为中心氮化硼管，8为隔片，9为前端面双壁槽口，10为后端面双壁槽口，11为后端面单壁槽口，12为过渡线，13为发热体；图中相同编号具有相同意义。
具体实施方式
用于内置式多孔加热器的一体化发热芯骨架如图1所示。
内置式多孔加热器允许一体化发热芯占有的整体空间大小为Φ15mm×25mm；周边氮化硼管的长度为25mm，外径为5mm，壁厚0.3mm；中心氮化硼管7长度为20mm，外径为5mm，壁厚为0.5mm；隔片8尺寸为20mm×4mm×0.5mm。
图1为发热体骨架，由周边氮化硼管和略短的带有氮化硼隔片8的中心氮化硼管7组成，周边氮化硼管以相同管径的中心氮化硼管7为中心形成密排结构；同时表示出发热体骨架后端面氮化硼管上开后端面双壁槽口10两处，分别为第二周边氮化硼管2和第三周边氮化硼管3相切处、第四周边氮化硼管4和第五周边氮化硼管5相切处；单壁槽口11两处，分别为第一周边氮化硼管1与中心氮化硼管7相切延伸处、第六周边氮化硼管6与中心氮化硼管7相切延伸处。图2为骨架前端面，表示出骨架对齐端在六根周边氮化硼管间隔着于两管相切处开前端面双壁槽口9三处，分别为第一周边氮化硼管1和第二周边氮化硼管2相切处、第三周边氮化硼管3和第四周边氮化硼管4相切处、第五周边氮化硼管5和第六周边氮化硼管6相切处。图3为一体化发热芯后端面，条形螺旋状发热体13的各弯折处嵌入各后端面双壁槽口10；发热体13两端经第一周边氮化硼管1和第六周边氮化硼管6的单壁槽口11穿入带有隔片8的中心氮化硼管7。图4为一体化发热芯前端面，条形螺旋状发热体13的各弯折处嵌入各前端面双壁槽口9；过渡线12从带有隔片8的中心氮化硼管7穿出。
内置式多孔加热器的一体化发热芯的关键工艺如下：
1)氮化硼管和氮化硼片的制备
氮化硼管采用化学气相沉积法在碳棒上沉积制备，共有两种规格，规格一其长度为90mm，外径为5.0mm，壁厚为0.3mm，规格二其长度为90mm，外径为5.0mm，壁厚为0.5mm。同时沉积氮化硼片，规格为100mm×4mm×0.5mm。用机械去除和煅烧的方法去除氮化硼管内的碳棒，机械去除时小心操作，避免损伤氮化硼，煅烧温度在750℃为宜。
2)氮化硼管打孔
采用激光打孔制备多孔氮化硼管，将工艺1中的氮化硼管安装在脉冲激光加工机上，调试好设备参数(电流：190A脉冲：2频率：8离焦量：-28激光聚焦镜焦距：100mm)，在同一圆周上每隔45°打一孔洞，共8个孔洞，孔径为1mm，两排孔洞之间的距离为1.8mm，共有12排孔洞，每隔12排孔洞预留4.2mm不打孔。
3)氮化硼管和氮化硼片的切割
规格一的氮化硼管用金刚石划片切割机切割为25mm长的小段，壁厚为0.3mm，管端面两端各有2.1mm未打孔，切管后的多孔氮化硼管作为周边氮化硼管。规格二的氮化硼管切割为长度20mm的小段，壁厚0.5mm，两端面各有2.1mm未打孔，切管后的多孔氮化硼管作为中心氮化硼管。氮化硼片切割为20mm×4mm×0.5mm的小片。将切割好的多孔氮化硼管和氮化硼片用常规方法清洗干净。
4)多孔氮化硼管端面开槽口
将6根相同的多孔氮化硼管分别标号为1到6，与另一根标号为7的中心多孔氮化硼管紧密排列，形成绕中心氮化硼7对称相切的六方密排结构的发热体骨架。在骨架前端面各多孔氮化硼管对齐，然后用细金属丝捆扎紧固，用微型钻按照设计要求在前后端面的管壁上开槽口，槽口的宽度和深度分别为1.5～2.0mm，缓慢操作，避免打落大片的氮化硼。
5)条形螺旋状发热体的制备：
将泡沫镍材料切成1.5mm×1.2mm×1000mm的长条形，以螺距0.5mm和螺径1.0mm的规范在Φ1.0mm细陶瓷管上缠绕为螺旋状，螺旋发热体的长度在220mm左右，利用固相渗技术渗铬，经真空热处理后形成三维网状多孔镍铬合金发热体。
固相渗技术渗铬过程：在1000℃下保温渗铬。所用渗剂组成为1200目的高纯氧化铝粉、300目的高纯铬粉和分析纯的氯化铵混合并充分研磨，其质量配比为73∶25∶2。首先用机械泵抽真空30min，然后对保护性气体氩气进行除氧和除水处理，保温时间30min；随炉冷却至200℃后关闭氩气，至室温后清洗干燥样品，称重；计算铬质量分数为20～22％(能谱测量结果与此十分接近)，测量电阻及尺寸，电阻值约为42～50Ω，计算电阻率为85～90μΩ.m；随后将渗铬后的样品放入真空炉中，真空度为5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温至1100℃，保温6h；随炉冷却至室温，清洗干燥后，得到铬质量分数为20％的网状多孔镍铬合金电热材料。
经测量其电阻值约为45～55Ω，计算电阻率为90～96μΩ.m，孔隙率约为96.3％；截取电阻值在36.5±3.5Ω的一段作为为内置式多孔加热器一体化发热芯的网状多孔镍铬合金发热体。
6)发热体的穿绕
将周边的6根氮化硼管按照1到6编号，然后将条形螺旋状多孔镍铬合金发热体13从多孔氮化硼管1后端口穿入，依次穿过2、3、4、5多孔氮化硼管，最后从多孔氮化硼管6后端口穿出，注意发热体从一根管到另一根管的各弯折处均应嵌入槽口内。
7)发热芯的引出
将条形螺旋状网状多孔镍铬发热体两端分别与两根过渡线12焊接在一起，过渡线为80Ni20Cr(镍与铬的质量百分含量分别为80％和20％)合金丝，其截面积为网状多孔电热材料真实截面积的数倍；每根过渡线须整根对折，两个并拢端头的一端往返折叠作为搭接处，另一端作为缠绕丝；发热体的端头与过渡线的搭接处捏合，用缠绕丝固定后采用脉冲点焊；两根过渡线从骨架安插氮化硼隔片8的中心氮化硼管7中引出，须保证两根过渡线之间绝缘。
8)发热体骨架的固定
将穿绕发热体的周边6根多孔氮化硼管与中心多孔氮化硼管7用无机胶固定，放置一定时间后待无机胶固化，去除细金属丝。
Claims (9)
1.一种用于内置式多孔加热器的一体化发热芯，其特征在于：该一体化发热芯包括发热体、发热体骨架和过渡线；发热体为条形螺旋状，发热体骨架由七根氮化硼管经密排而成，所述密排具体为六根周边氮化硼管以一根中心氮化硼管为中心对称排布；中心氮化硼管管内轴向放置隔片，周边氮化硼管的两端开有槽口，发热体经槽口依次往复穿入周边氮化硼管；发热体两端与过渡线焊接后将过渡线从中心氮化硼管中隔片两侧引出；氮化硼管间用无机胶固定。
2.按照权利要求1所述的一体化发热芯，其特征在于：所述发热体其材质为网状多孔镍铬合金或网状多孔镍铬铝合金，是由相互连通的中空薄壁金属棱构成三维网状多孔结构，其孔隙相互连通、分布均匀；孔隙率为90～98％，孔径尺寸为90～110PPI；所述网状多孔镍铬合金中铬的质量百分含量为18～35％；所述网状多孔镍铬铝合金中铬的质量百分含量为18～35％，铝的质量百分含量为2～10％。
3.按照权利要求1所述的一体化发热芯，其特征在于：所述周边氮化硼管的内径为3～5mm，壁厚为0.2～0.5mm，长度为10～15mm；所述中心氮化硼管其长度为周边氮化硼管的五分之四到二分之一之间，其厚度为周边氮化硼管的一倍到二倍之间，其内径与周边氮化硼管相同。
4.按照权利要求1所述的一体化发热芯，其特征在于：所述氮化硼管其孔洞在管的圆周上均匀分布，相邻二排孔洞间隔排列，即某一个孔洞的圆心在邻排两孔洞圆心连线的垂直平分线上；孔洞总面积大于管壁面积的50％。
5.按照权利要求1所述的一体化发热芯，其特征在于：所述隔片为条形氮化硼，其长度和厚度分别与中心氮化硼管的长度和壁厚相同，其宽度与中心氮化硼管的内径相同。
6.按照权利要求1所述的一体化发热芯，其特征在于：发热体骨架前端面从第一周边氮化硼管到第六周边氮化硼管间隔着于两管相切处开前端面双壁槽口三处，分别为第一周边氮化硼管和第二周边氮化硼管相切处、第三周边氮化硼管和第四周边氮化硼管相切处、第五周边氮化硼管和第六周边氮化硼管相切处；发热体骨架后端面在第二周边氮化硼管和第三周边氮化硼管相切处、第四周边氮化硼管和第五周边氮化硼管相切处开后端面双壁槽口二处；发热体骨架后端面在第一周边氮化硼管和中心氮化硼管相切延伸处、第六周边氮化硼管和中心氮化硼管相切延伸处开单壁槽口两处。
7.一种如权利要求1-6任一所述的一体化发热芯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)条形螺旋状发热体的制备：
将泡沫镍板加工为条形螺旋状的泡沫镍后，对条形螺旋状的泡沫镍采用固相渗铬法渗铬后进行真空热处理，获得网状多孔镍铬合金；或者将条形螺旋状的泡沫镍采用固相渗铬、再渗铝后进行真空热处理，获得网状多孔镍铬铝合金；
(2)发热体骨架的制备：
首先制备氮化硼管和氮化硼隔片的制备：采用化学气相沉积法在不同外径的碳棒或碳片上沉积不同厚度和长度的氮化硼管，用机械和煅烧的方法去除氮化硼管内或碳片上的碳，获得氮化硼管或氮化硼隔片；
然后按设计要求在氮化硼管上打孔，再切割为所设计的尺寸；
最后将七根有孔的氮化硼管紧密排列，用微型钻按照设计要求在周边氮化硼管两端开槽口；
(3)发热体的穿绕：
将条形螺旋状的发热体从第一周边氮化硼管后端穿入，然后依次通过第二周边氮化硼管到第六周边氮化硼管及前端面双壁槽口、后端面双壁槽口，最后从第六周边氮化硼管后端穿出；发热体两端再经单壁槽口穿入中心氮化硼管中由过渡线引出；条形螺旋状发热体的各弯折处须嵌入各槽口；
(4)发热体的引出：
发热体两端分别与同成分合金过渡线连接，过渡线截面积为网状多孔材料真实截面积的4～5倍；每根过渡线整根对折，两个并拢端头的一端往返折叠作为搭接处，另一端作为缠绕丝；发热体的端头与过渡线的搭接处捏合，用缠绕丝固定后采用脉冲点焊；发热体两端与过渡线焊接后，将两根过渡线从中心氮化硼管中引出，隔片将两根过渡线分开，发热体与过渡线的连接点在中心氮化硼管内部。
8.按照权利要求7所述的制备方法，其特征在于：氮化硼管间固定用的无机胶为硅酸盐耐高温无机胶，由液相成分与固相成分混合而成，其固相成分与液相成分质量比为2∶1；液相成分为硅酸钾溶液，固相成分为二氧化硅粉末与氧化铝粉末混合而成，二氧化硅粉末与氧化铝粉末的质量比3∶1。
9.一种如权利要求1-6任一所述的一体化发热芯的应用，其特征在于：该一体化发热芯应用于航天飞行器姿、轨控推力器所用的内置式多孔加热器中。
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