CN103606499A

CN103606499A - 卫星场致发射电推进器的发射体制备方法

Info

Publication number: CN103606499A
Application number: CN201310511888.0A
Authority: CN
Inventors: 刘宇明; 田东波; 牟永强; 刘向鹏; 翟睿琼; 于兆吉; 姜利祥
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: CN103606499B

Abstract

本发明公开了一种卫星场致发射电推进发射体的制备方法，该方法利用化学气相沉积（CVD）方法在多孔氧化铝模板（AAO）内生长碳纳米管，并通过等离子处理和化学刻蚀方法，除去氧化铝模板表面的碳，并将碳纳米管从氧化铝中暴露出来，而形成针孔状发射体阵列。该方法可以制备分布均匀、大小均一、发射体顶部曲率半径20nm-500nm的碳纳米管发射体阵列，将其作为场致发射电推进器（FEEP）的发射体与推进器储箱相连，在推进器中正负电极所产生的电场下，就可以将推进器储箱内的液态金属通过该发射体发射出去，形成推力。该方法即可实现纳米尺度的FEEP推进器的发射体。

Description

卫星场致发射电推进器的发射体制备方法

技术领域

本发明涉及航天器推进技术的研究领域，特别是涉及一种将碳纳米管材料应用到FEEP（场致发射电推进）发射体的中的发射体制备方法。

背景技术

重力波探测卫星等航天任务对轨道和姿态的控制有着极高的要求，这就要求控制卫星轨道和姿态的推进器必须能提供微牛（μN）至毫牛（mN）量级的推力。基于场致发射电推进（Field emissionelectric propulsion，FEEP）的电推进器因其推力小（μN至mN量级），推力控制精度高（μN量级），比冲大（3000s-10000s），是解决航天器高精度姿态、轨道控制问题的主要技术手段之一。

FEEP推进器的性能与其发射体的几何形状有很大关联。发射体的几何形状对推进器的相关参数以及长期工作可靠性都有着重要影响。FEEP发射体的形状可以分为两类：针尖形状和针孔形状。一般情况下，当发射体的曲率半径越小时，推进器的性能越优异。包括MEMS技术在内的多种工艺被用来将金属或硅的体材料制备成小尺寸的FEEP发射体。但是，受现有制备技术限制，卫星FEEP推进器的发射体难以小型化，达到纳米量级，，同时，FEEP推进器在工作时需要高压等工作条件，这严重影响了FEEP推进器的推进性能和可靠性。基于此，制备曲率半径小于10μm的发射体在FEEP推进器技术领域仍然是一个巨大的挑战，特别是针对发射体，还没有合适的制备方法，能够解决小尺寸发射体的制备问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种制备纳米尺度FEEP发射体的方法，该方法利用自组织生长制备的碳纳米管材料作为FEEP针孔状发射体，解决小尺寸发射体制备问题。该方法利用氧化铝模板（Anodic aluminum oxide，AAO）上有自组织形成的有序排列六角形纳米孔，并采用化学气相沉积方法在氧化铝模板的纳米孔中生长高度取向的碳纳米管阵列，通过等离子体处理和化学刻蚀过程，得到尺寸均一，分布均匀，且顶部开头的碳纳米管阵列，这些碳纳米管是良好的针孔状发射体，其尖端曲率半径在几十纳米。因此，这种方法可以很容易制备小尺寸的FEEP发射体，解决小尺寸FEEP发射体的制备问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种卫星场致发射电推进发射体的制备方法，该方法利用化学气相沉积（CVD）方法在多孔氧化铝模板（AAO）内生长碳纳米管，多孔氧化铝模板内的通孔直径在100nm左右，在氧化铝模板上下表面和通孔内壁上沉积一层用于后续步骤沉积碳的催化剂，化学气相沉积过程时，在催化剂的作用下模板的上下表面和每个通孔的内壁上沉积一层碳，利用等离子体去除模板上下表面的碳，而不会去除通孔内壁上的碳，再通过化学刻蚀方法除去氧化铝模板，使碳纳米管从其中暴露出来，形成尺寸均一、分布均匀的针孔状发射体阵列。

其中，具体包括如下步骤：

首先，利用多孔氧化铝模板制备通孔氧化铝模板；

其次，将通孔氧化铝模板放入浓度为5%-15%的Fe(NO₃)₃或CO(NO₃)₃、Ni(NO₃)₃的水溶液中，浸泡5-20分钟，取出晾干后，放入加热炉中在200℃-300℃下加热1小时至24小时，使得氧化铝模板上下表面以及每个通孔内壁上都浸有的金属盐溶液，并在加热过程中让金属盐在空气中发生化学反应变成金属氧化物，例如氧化铁、氧化钴、氧化镍；

第三，将氧化铝模板放入CVD设备中，在Ar保护下升温至600℃-1000℃，当到达设定温度后，通入H₂气10-60分钟，使得金属氧化物还原为金属，再通入CH₄或C₂H₄、C₂H₂等含碳有机气体10-60分钟，在金属的催化作用下，含碳有机气体发生裂解，在氧化铝模板的孔壁和外表面上沉积一层无定形碳，其中，氧化铝模板孔内沉积的无定形碳形成了碳纳米管结构；

第四，降温取出氧化铝模板，放入等离子处理设备中，在氧等离子体环境下处理10-30分钟，利用氧等离子体反应掉氧化铝模板表面的无定形碳，氧等离子体进入不到氧化铝模板的孔内，氧化铝模板孔壁上的无定形碳则会保留下来；

第五，将氧化铝模板放入氢氧化钠腐蚀夜中，对其一个面进行部分化学刻蚀，通过刻蚀后，氧化铝被部分刻蚀掉，而碳纳米管则暴露出来，形成针孔状发射体。

其中，碳纳米管的直径在20nm-500nm之间。

本发明在多孔氧化铝模板内沉积碳而形成的碳纳米管，碳纳米管尺寸与氧化铝模板中孔径大小一致，碳纳米管的分布也与氧化铝模板孔的分布一致。由于氧化铝模板的孔分布均匀，各个孔的大小一样，且孔的大小可以通过化学刻蚀条件改变，可以实现孔的直径在20nm-500nm变化，因此，该方法可以制备分布均匀、大小均一、发射体顶部曲率半径20nm-500nm的碳纳米管发射体阵列。即实现纳米尺度的FEEP推进器的发射体。

附图说明

图1为本发明的卫星场致发射电推进器发射体的制备过程示意图。

图中：1-多孔氧化铝模板，其中1.1为氧化铝，1.2为模板中的通孔；2-沉积无定形碳的多孔氧化铝模板，其中2.1为在氧化铝模板表面沉积的无定形碳，2.2为在氧化铝模板通孔内壁沉积的无定形碳，通孔内的无定形碳连接在一起形成碳纳米管；3-只内孔内有碳沉积的氧化铝模板；4-基于氧化铝模板的碳纳米管阵列孔径型发射体，其中4.1为暴露出的碳纳米管。

图2为应用本发明的卫星场致发射电推进器发射体的电推进器示意图。

图中，5-金属储箱；6-金属液体；7-基于氧化铝模板的碳纳米管阵列孔径型发射体；8-金属阴极；9-被发射的金属离子；10-正电极引线；11-负电极引线

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但这些仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

图1为本发明的卫星场致发射电推进器发射体的制备过程示意图。如图所示，本发明的制备方法包括如下步骤：首先，需要一个通孔氧化铝模板1，该模板是由铝通过液相氧化反应制备得到，材质为氧化铝1.2，其中有分布均匀、尺寸一致的通孔1.1。

其次，将通孔氧化铝模板放入浓度为5%-15%的Fe(NO₃)₃或CO(NO₃)₃、Ni(NO₃)₃的水溶液中，浸泡5-20分钟。取出晾干后，放入加热炉中在200℃-300℃下加热1小时至24小时，使得金属盐在空气中发生化学反应变成金属氧化物。然后将氧化铝模板放入CVD设备中，在Ar保护下升温至600℃-1000℃。当到达设定温度后，通入H₂气10分钟，使得金属氧化物还原为金属。再通入CH₄或C₂H₄、C₂H₂等含碳有机气体10分钟。在金属的催化作用下，含碳有机气体发生裂解，得到覆盖有无定形碳的氧化铝模板2。其中，氧化铝模板上下表面覆盖的无定形碳2.1，氧化铝模板孔内沉积的无定形碳形成了碳纳米管结构2.2。

第三，将覆盖有无定形碳的氧化铝模板2放入氧等离子体环境中，利用氧等离子体与碳反应生成CO₂或CO，从而除去氧化铝模板上下表面的无定形碳，得到只内孔内有碳沉积的氧化铝模板3。

第四，将氧化铝模板3的一面利用NaOH溶液进行化学刻蚀，刻蚀掉部分氧化铝材料，由于碳不与NaOH反应，因此碳材料保存下来，形成暴露在外的碳纳米管4.1，从而得到基于氧化铝模板的碳纳米管阵列针孔型发射体4。

将本发明的碳纳米管阵列针孔型发射体安装在FEEP推进器上，如图2所示。金属储箱5通过引线10接正电极，储箱内部存储液态金属。储箱一端呈圆锥体状，锥体尖端安装碳纳米管阵列针孔型发射体7。液态金属在毛细作用力的作用下会填充入发射体7的碳纳米管管内。在发射体前端设置一金属阴极8，金属阴极8通过引线11接负电位。当施加电压后，发射体7每个碳纳米管尖端表面形成强电场，在电场的作用下，碳纳米管管内的液态金属被电离并脱离液面发射出去，形成高速喷射的金属离子9，从而获得推力。

尽管上文对本专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种卫星场致发射电推进发射体的制备方法，该方法利用化学气相沉积（CVD）方法在多孔氧化铝模板（AAO）通孔内生长碳纳米管，多孔氧化铝模板内的通孔直径在100nm左右，在氧化铝模板上下表面和通孔内壁上沉积一层用于后续步骤沉积碳的催化剂，化学气相沉积过程时，在催化剂的作用下模板的上下表面和每个通孔的内壁上沉积一层碳，利用等离子体去除模板上下表面的碳，而不会去除通孔内壁上的碳，氧化铝模板孔内沉积的无定形碳形成了碳纳米管结构，再通过化学刻蚀方法部分除去氧化铝模板，使碳纳米管从其中暴露出来，形成尺寸均一、分布均匀的针孔状发射体阵列。

2.如权利要求1所述的制备方法，其中，具体包括如下步骤：

首先，利用多孔氧化铝模板制备通孔氧化铝模板；

其次，将通孔氧化铝模板放入浓度为5%-15%的Fe(NO₃)₃或CO(NO₃)₃、Ni(NO₃)₃的水溶液中，浸泡5-20分钟，取出晾干后，放入加热炉中在200℃-300℃下加热1小时至24小时，该过程使得氧化铝模板上下表面以及每个通孔内壁上都浸有的金属盐溶液，并在加热过程中让金属盐在空气中发生化学反应变成金属氧化物；

第三，将氧化铝模板放入CVD设备中，在Ar保护下升温至600℃-1000℃，当到达设定温度后，通入H₂气10-60分钟，使得金属氧化物还原为金属，再通入含碳有机气体10-60分钟，在金属的催化作用下，含碳有机气体发生裂解，在氧化铝模板的上下表面以及通孔孔壁上沉积一层无定形碳，其中，氧化铝模板孔内沉积的无定形碳形成了碳纳米管结构；

第四，降温取出氧化铝模板，放入等离子处理设备中，在氧等离子体环境下处理10-30分钟，利用氧等离子体反应掉氧化铝模板上下表面处的无定形碳，等离子体接触不到氧化铝模板通孔内部的碳，氧化铝通孔内孔壁上的无定形碳则会保留下来；

第五，将氧化铝模板放入氢氧化钠腐蚀夜中，对其一个面进行部分化学刻蚀，通过刻蚀后，氧化铝被部分刻蚀掉，而孔壁上的碳却保留下来，使得碳纳米管暴露出来，形成针孔状发射体。

3.如权利要求1所述的制备方法，其中，含碳有机气体为CH₄或C₂H₄、C₂H₂。

4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其中，碳纳米管的直径在20nm-500nm之间。

5.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其中，所述金属氧化物为氧化铁、氧化钴或氧化镍。