CN110551987A - 环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮，其中制作方法包括以下步骤：提供基体；将所述基体置于真空环境；向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；驱动所述基体旋转并达到预定转速；传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；所述基体的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。该环形单晶无机非金属部件具备高硬度、高导热性以及低热膨胀系数等性能，可以作为飞轮使用于飞轮储能器，从而使得高储能密度的飞轮制作成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及制造技术领域，特别涉及环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮。
背景技术
随着科学技术的发展，能耗产品的使用越来越普及，储能装置的需求也越来越多。飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出的过程。
理论上，飞轮储能系统的功率密度很高，可以实现无限次的大功率充放电，且对环境无污染。但现有技术的飞轮储能的储能密度较低，这是因为飞轮储能系统的储能密度，一方面取决于飞轮的转速，另一方面取决于转子的质量。但是，由于受材料的限制，飞轮的转速过高时，飞轮很容易损坏甚至爆炸，目前碳纤维复合材料作为飞轮的优选材料，其具有较高的抗拉强度，但是，在飞轮旋转速度达到一定值时依旧存在爆炸的可能和危险。
而众所周知，金刚石及同类无机单晶非金属材料，硬度及强度大，且其具有良好的导热性以及极低的热膨胀系数等。因此，利用此类无机单晶非金属材料制造飞轮，能够突破目前飞轮储能技术发展材料受限的难点。
但是如何使用单晶无机非金属材料制造飞轮依然存在难以克服的技术难点。现有技术中，无机单晶非金属部件的制作方法包括直接法、熔煤法和外延法等，但这些方法合成的无机单晶非金属部件都无法用来制作飞轮。例如采用直接法合成金刚石时，合成的金刚石为多晶粉末，采用熔煤法制造出的金刚石为磨料级金刚石，而采用外延法制造的金刚石为颗粒状或者平板状。因此，现有方法均无法制作飞轮储能器中所需的圆环状飞轮。
因此，如何制作一种适用于飞轮储能器的飞轮的环形单晶无机非金属部件，以提升飞轮储能系统的储能密度是我们亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮，以解决现有方法均无法使用单晶无机非金属材料制作飞轮储能器中所需的圆环状飞轮的技术问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供的具体方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种环形单晶无机非金属部件的制作部件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
提供基体；
将所述基体置于真空环境；
向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；
驱动所述基体旋转并达到预定转速；
传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；
所述基体的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。
可选的，所述真空环境的构建方法包括如下步骤：
将密封空间抽真空后通入保护气体，控制保护气体的通入量，使所述密封空间的气压小于0.1千帕。
可选的，所述基体经过预处理，所述预处理的方法包括：
使用金刚石粉，研磨所述基体的外圆周面；
使用去离子水和丙酮清洗所述基体的外圆周面；
在所述基体的外圆周面上涂覆石墨。
可选的，传输微波至所述原料气体环境的步骤之前，所述方法还包括：
加热所述基体，使所述基体的温度达到400摄氏度至600摄氏度。
可选的，所述预定转速为5转/分钟至1000转/分钟。
可选的，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷；
或者，
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气；
或者，
所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石；所述原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳。
可选的，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷时，
所述氢气的流量为200标准毫升/分钟至450标准毫升/分钟，所述甲烷的流量为10标准毫升/分钟至30标准毫升/分钟；
向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压大于6千帕；
微波的传输频率为0.8吉赫兹至6吉赫兹，输出功率为0.6千瓦至30千瓦；
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气时；
所述甲基三氯硅烷的流量为60标准毫升/分钟至100标准毫升/分钟，所述氢气的流量为600标准毫升/分钟至1000标准毫升/分钟；
向所述原料气体环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压小于10千帕；
微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦；
所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石；所述原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳时，
所述三氯化铝的温度为100摄氏度至150摄氏度；
所述二氧化碳的流量为15标准毫升/分钟至75标准毫升/分钟，所述氢气的流量为150标准毫升/分钟至250标准毫升/分钟；
向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压为0.55千帕至0.65千帕；
微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦。
可选的，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷时，
所述原料气体环境内所述甲烷的浓度为6％至20％；
微波功率密度为0.1千瓦/立方厘米至0.2千瓦/立方厘米；
所述原料气体环境的气体压力为20千帕至40千帕；
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气时；
所述原料气体环境内所述甲基三氯硅烷的浓度控制在2％至5％；
微波功率密度大于0.2千瓦/立方厘米。
第二方面，本发明实施例提供了一种环形单晶无机非金属部件的制作设备，利用如上述第一方面中任一项所述的环形单晶无机非金属部件的制作方法制作环形单晶无机非金属部件，所述制作设备包括：所述制作设备包括：制备容器、基体和基体控制组件；
所述制备容器包括微波室和等离子室，所述微波室与所述等离子室隔离，所述微波室内设置有微波发生器，所述等离子室设置有进气口和真空装置，所述真空装置用于将所述等离子室抽真空，并控制所述等离子室内的气压，从所述进气口进入所述等离子室中的原料气体能够在微波激励下形成等离子体；
所述基体设置于所述等离子室内的等离子体分布区域，所述基体控制组件用于控制所述基体旋转，以使等离子体沉积于所述基体的外圆周面形成环形单晶无机非金属部件。
第三方面，本发明实施例还提供一种飞轮，所述飞轮为利用如第一方面中任一项所述的环形单晶无机非金属部件的制作方法制作的环形单晶无机非金属部件。
本发明实施例中，通过在真空环境中设置基体，并在该真空环境中通入原料气体构成原料气体环境，在微波的激励下形成等离子体，基体旋转时，基体的外圆周面上能够均匀沉积无机非金属等离子体，从而能够在基体的外圆周面上形成环形单晶无机非金属部件。该环形单晶无机非金属部件具备高硬度、高导热性以及低热膨胀系数等性能，可以作为飞轮使用于飞轮储能器，从而使得高储能密度的飞轮制作成为可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种环形单晶无机非金属部件的制作设备的结构示意图；
图3为本发明实施例所涉及的基体的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，为本发明实施例提供的一种环形单晶无机非金属部件的制作方法，用于制作环形单晶无机非金属部件。如图1所示，所述制作方法包括：
步骤11、提供基体；
步骤12、将所述基体置于真空环境；
步骤13、向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；
步骤14、驱动所述基体旋转并达到预定转速；
步骤15、传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；
步骤16、所述基体的外圆周面上接收沉积等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。
本发明实施例提供的制作方法，利用基体的外圆周面沉积等离子体形成环形单晶无机非金属部件，例如制备合成金刚石、合成莫桑石或者合成蓝宝石等环形单晶无机非金属部件等。
所需要的基体，设置于真空环境中，且在真空环境中通入原料气体构成原料气体环境，并通过微波激励原料气体形成等离子体，基体设置于真空环境中的等离子分布区域。且基体的外圆周面朝向等离子沉积方向设置，所述基体可以由钛合金或者碳素纤维材料制作而成。
从真空环境的进气口通入原料气体，并向内传输微波，用于制备等离子体。向等离子室内通入原料气体之前，需要先利用真空装置将封闭环境抽成真空，形成真空环境。
在一种具体实施方式中，基体所处的真空环境的构建方法包括：
将密封空间抽真空后通入保护气体，控制保护气体的通入量，使所述密封空间的气压小于0.1千帕。
原料气体以及保护气体的选择可以与所需制作的环形单晶无机非金属部件的成分保持一致，针对不同的部件，所需的原料气体以及保护气体可能不同。
在一种具体实施方式中，所提供的环形单晶无机非金属部件的制作方法，可以利用一种环形单晶无机非金属部件的制作设备(以下简称制作设备)，制成所需要的环形单晶无机非金属部件。该制作设备具备该方法所需要的基体、原料气体环境和等离子体等。
如图2所示，为所利用的制作设备10的结构示意图。所述制作设备10可以包括：制备容器100、基体200和基体控制组件300；
所述制备容器100包括微波室110和等离子室120，所述微波室110与所述等离子室120隔离，所述微波室110内设置有微波发生器111，所述等离子室120设置有进气口123和真空装置130，真空装置130用于将等离子室120抽成真空，并控制等离子室120内的气压，从所述进气口123进入所述等离子室120中的原料气体能够在微波激励下形成等离子体；
所述基体200设置于所述等离子室120内的等离子体分布区域，所述基体200控制组件控制所述基体200旋转，以使等离子体沉积于所述基体200的外圆周面形成环形单晶无机非金属部件。
利用所述制作设备，本实施例提供的制作方法的具体实施过程可以为：
开启制作设备10的基体控制组件300，使得驱动装置323带动基体200转动，并达到预定转速，所述预定转速可以为5转/分钟至1000转/分钟。开启制作设备10微波发生器111，使得微波发生器111产生微波，并通过波导管115传输至等离子室120内。传输至等离子室120的微波，激励等离子室120内的原料气体，形成等离子体。等离子体形成后在一定范围内沉积，在该区域内旋转的基体200，其外圆周面接收到等离子体并沉积，即可形成所需要的环形单晶无机非金属部件。
上述本实施例提供的制作方法，在真空环境中设置基体，并在该真空环境中通入原料气体构成原料气体环境，在微波的激励下形成等离子体，基体旋转时，基体的外圆周面上能够均匀沉积无机非金属等离子体，从而能够在基体的外圆周面上形成环形单晶无机非金属部件。该环形单晶无机非金属部件具备高硬度、高导热性以及低热膨胀系数等性能，可以作为飞轮使用于飞轮储能器，从而使得高储能密度的飞轮制作成为可能。
在上述实施例的基础上，步骤12所述的，将所述基体置于真空环境的步骤之前，所述基体还可以经过预处理，所述预处理的方法可以包括：
使用金刚石粉，研磨所述基体200的外圆周面；
使用去离子水和丙酮清洗所述基体200的外圆周面；
在所述基体200的外圆周面上涂覆石墨。
在利用基体200沉积等离子体之前，先使用金刚石粉，在基体200的外圆周面研磨，再使用去离子水和丙酮清洗所述基体200的外圆周面。最后，在基体200的外圆周面上涂覆石墨，使用涂覆后的基体200的外圆周面沉积等离子体，即可有效提高环形单晶无机非金属部件的制备效率和质量。
在上述实施例的基础上，步骤15所述的，传输微波至所述原料气体环境的步骤之前，所述方法还可以包括：
加热所述基体，使所述基体的温度达到400摄氏度至600摄氏度。
本实施例中，基体200的具体加热温度可根据所要制造的单晶无机非金属部件的材料的不同而有所不同，不作限定。
下面将根据所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石、合成蓝宝石和合成莫桑石，这三种情况分别解释其制备过程。
在一种具体实施方式中，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石。
本实施例中，所需制作的环形单晶无机非金属部件为合成金刚石，则形成等离子体的原料气体包括氢气和甲烷。其中，所述氢气的流量可以为200标准毫升/分钟至450标准毫升/分钟，所述甲烷的流量可以为10标准毫升/分钟至30标准毫升/分钟；
向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压大于6千帕；
微波的传输频率为0.8吉赫兹至6吉赫兹，输出功率为0.6千瓦至30千瓦；
更进一步地，原料气体环境的气体压力可控制为20千帕至40千帕，以提高等离子体的沉积效率。
所述微波室110内微波的传输频率为0.8吉赫兹至6吉赫兹，输出功率为0.6千瓦至30千瓦。
在上述实施例的基础上，还可以将所述等离子室内所述甲烷的浓度控制在6％至20％；
将微波功率密度控制在0.1千瓦/立方厘米至0.2千瓦/立方厘米。
所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石，利用制作设备10的制备过程具体可以包括：
提供由钛合金或者碳纤维材料制作的基体200，将该基体200的外圆周面，用粒度为0.5微米的金刚石粉均匀研磨，再分别使用去离子水和丙酮将研磨后的基体200的外圆周面清洗干净，并吹干。然后，在研磨后的外圆周面涂覆一层石墨，即可完成使用前的清理工作，将基体200安装到制备设备的转轴322上。
先启动真空装置130将等离子室120抽成真空，通过进气口123向等离子室120内通入保护气体，如氮气或者氩气，并通过真空装置130将等离子室120内的压强控制到0.1千帕以下，启动加热器，将基体200加热到500摄氏度至600摄氏度。
向等离子室120内通入原料气体，包括氢气和甲烷。其中，通入氢气的流量为200标准毫升/分钟至450标准毫升/分钟，所述甲烷的流量为10标准毫升/分钟至30标准毫升/分钟，并通过真空装置130将等离子室120内的气体压力控制在6千帕以上。具体的，为了进一步提高沉积效率，还可以设置甲烷的浓度为6％至20％；微波功率密度为0.1千瓦/立方厘米至0.2千瓦/立方厘米；所述等离子室120内的气体压力为20千帕至40千帕。
开启驱动装置323，使得驱动装置323通过转轴322带动基体200开始旋转，达到预定转速。该预定转速可以为5转/分钟至1000转/分钟。
开启微波发生器111，设置微波的输入频率为0.8吉赫兹至6吉赫兹，功率为0.6千瓦至30千瓦。具体的，优选设置微波的输入频率为2.45吉赫兹，功率为6千瓦。
微波发生器111产生微波，传输至等离子室120，激励等离子室120内的原料气体，形成等离子体。调节基体控制组件300，以使得基体200位于等离子体最佳布置状态的正下方。等离子体沉积过程中，驱动装置323驱动基体200先以较快的速度旋转一周，再控制基体200的转速逐渐平稳并下降。等离子体沉积预定时间后，基体200的外圆周上即可形成圆环形的金刚石，即所需的环形单晶无机非金属部件。
在上述等离子体的沉积过程中，实时监测基体200的温度，并由冷热交换装置400控制基体200的温度在预设温度范围内。沉积到预设时间后，依次关闭微波发生器111、进气口123、驱动装置323和真空装置130。在等离子室120内的温度降低至常温时，即可从转轴322上的基体200上取出环形金刚石部件。
在另一种具体实施方式中，所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石。
本实施例中，所需制备的环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石，则所需的原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气。其中，所述甲基三氯硅烷的流量为60标准毫升/分钟至100标准毫升/分钟，所述氢气的流量为600标准毫升/分钟至1000标准毫升/分钟，并通过真空装置130将所述等离子室120内的气压控制在10千帕以下。
微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦。
在上述实施例的基础上，步骤16之后，所述方法还可以包括：
将所述等离子室内所述甲基三氯硅烷的浓度控制在2％至5％；
将微波功率密度控制为大于0.2千瓦/立方厘米。
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石时，利用制作设备10的制备过程可以具体包括：
提供由钛合金或者碳纤维材料制作的基体200，将该基体200的外圆周面，用粒度为0.5微米的金刚石粉均匀研磨，再分别使用去离子水和丙酮将研磨后的基体200的外圆周面清洗干净，并吹干。然后，在研磨后的外圆周面涂覆一层石墨，即可完成使用前的清理工作，将基体200安装到制备设备的转轴322上。
先启动真空装置130将等离子室120抽成真空，通过进气口123向等离子室120内通入保护气体，如氮气或者氩气，并通过真空装置130将等离子室120内的压强控制到0.1千帕以下，启动加热器，将基体200加热到500摄氏度至600摄氏度。
向等离子室120内通入原料气体，包括甲基三氯硅烷和氢气。其中，所述甲基三氯硅烷的流量为60标准毫升/分钟至100标准毫升/分钟，所述氢气的流量为600标准毫升/分钟至1000标准毫升/分钟，并通过真空装置130将等离子室120内的气体压力控制在10千帕以下。具体的，控制所述甲基三氯硅烷的浓度在2％至5％，并控制微波功率密度大于0.2千瓦/立方厘米。
开启驱动装置323，使得驱动装置323通过转轴322带动基体200开始旋转，达到预定转速。该预定转速可以为5转/分钟至1000转/分钟。
开启微波发生器111，设置微波的输入频率为5兆赫兹至20兆赫兹，功率为0.1千瓦至0.28千瓦。具体的，优选设置微波的输入频率为13.56兆赫兹，功率为0.1千瓦。
微波发生器111产生微波，传输至等离子室120，激励等离子室120内的原料气体，形成等离子体。调节基体控制组件300，以使得基体200位于等离子体最佳布置状态的正下方。等离子体沉积过程中，驱动装置323驱动基体200先以较快的速度旋转一周，再控制基体200的转速逐渐平稳并下降。等离子体沉积预定时间后，基体200的外圆周上即可形成圆环形的莫桑石，即所需的环形单晶无机非金属部件。
在上述等离子体的沉积过程中，实时监测基体200的温度，并由冷热交换装置400控制基体200的温度在预设温度范围内。沉积到预设时间后，依次关闭微波发生器111、进气口123、驱动装置323和真空装置130。在等离子室120内的温度降低至常温时，即可从转轴322上的基体200上取出环形莫桑石部件。
在另一种具体实施方式中，所述环形单晶无机非金属部件可以为合成蓝宝石。
本实施例中，所需制备的环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石，则所需的原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳。其中，所述三氯化铝的温度为100摄氏度至150摄氏度，所述二氧化碳的流量为15标准毫升/分钟至75标准毫升/分钟，所述氢气的流量为150标准毫升/分钟至250标准毫升/分钟。
向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压为0.55千帕至0.65千帕；
微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦。
所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石时，制备过程具体可以包括：
提供由钛合金或者碳纤维材料制作的基体200，将该基体200的外圆周面，用粒度为0.5微米的金刚石粉均匀研磨，再分别使用去离子水和丙酮将研磨后的基体200的外圆周面清洗干净，并吹干。然后，在研磨后的外圆周面涂覆一层石墨，即可完成使用前的清理工作，将基体200安装到制备设备的转轴322上。
先启动真空装置130将等离子室120抽成真空，通过进气口123向等离子室120内通入保护气体，如氮气或者氩气，并通过真空装置130将等离子室120内的压强控制到0.1千帕以下，启动加热器，将基体200加热到400摄氏度至600摄氏度。
向等离子室120内通入原料气体，包括三氯化铝、氢气和二氧化碳。其中，所述三氯化铝的温度为100摄氏度至150摄氏度，所述二氧化碳的流量为15标准毫升/分钟至75标准毫升/分钟，所述氢气的流量为150标准毫升/分钟至250标准毫升/分钟；所述等离子室120内的气体压力为0.55千帕至0.65千帕。
开启驱动装置323，使得驱动装置323通过转轴322带动基体200开始旋转，达到预定转速。该预定转速可以为5转/分钟至1000转/分钟。
开启微波发生器111，设置微波的输入频率为5兆赫兹至20兆赫兹，功率为0.1千瓦至0.28千瓦。具体的，优选设置微波的输入频率为13.56兆赫兹，功率为0.2千瓦。
微波发生器111产生微波，传输至等离子室120，激励等离子室120内的原料气体，形成等离子体。调节基体控制组件300，以使得基体200位于等离子体最佳布置状态的正下方。等离子体沉积过程中，驱动装置323驱动基体200先以较快的速度旋转一周，再控制基体200的转速逐渐平稳并下降。等离子体沉积预定时间后，基体200的外圆周上即可形成圆环形的蓝宝石，即所需的环形单晶无机非金属部件。
在上述等离子体的沉积过程中，实时监测基体200的温度，并由冷热交换装置400控制基体200的温度在预设温度范围内。沉积到预设时间后，依次关闭微波发生器111、进气口123、驱动装置323和真空装置130。在真空装置130内的温度降低至常温时，即可从转轴322上的基体200上取出环形蓝宝石部件。
本发明实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作方法，用于制作其他材料的环形单晶无机非金属部件时，根据具体的气体原料，设置相应的射频电源的频率和功率，并控制基体200的温度达到沉积温度，即可制作相应材质的环形单晶无机非金属部件。
本发明实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作方法，所应用的环形单晶无机非金属部件的制作设备设置微波室和等离子室，通过在所述微波室内设置微波发生器，以使得等离子室内的原料气体能够在微波室内产生的微波的激励下形成等离子体。再将基体设置于等离子室内的等离子体分布区域，并通过基体控制组件300控制基体旋转，以使得等离子体沉积于基体的外圆周面，即可形成环形单晶无机非金属部件。将环形单晶无机非金属部件作为飞轮储能器的飞轮，即可有效提升飞轮储能器的储能效率。
应当理解，使用上述方法得到的单晶无机非金属部件不仅可以应用到上述的飞轮储能器的飞轮，同样可以用于其他需要圆环形部件，又对材料强度要求较高的场合，在此不做限定。
参见图2，图2为本发明实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作设备的结构示意图。本发明实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作设备，可以利用上述图1所示的实施例提供的制作环形单晶无机非金属部件的制作方法，制作环形单晶无机非金属部件。如图2所示，所述环形单晶无机非金属部件的制作设备(以下简称制作设备)10，包括：制备容器100、基体200和基体控制组件300；
所述制备容器100包括微波室110和等离子室120，所述微波室110与所述等离子室120隔离，所述微波室110内设置有微波发生器111，所述等离子室120设置有进气口123和真空装置130，真空装置130用于将等离子室120抽真空和控制等离子室120内的气压，从所述进气口123进入所述等离子室120中的原料气体能够在微波激励下形成等离子体；
所述基体200设置于所述等离子室120内的等离子体分布区域，所述基体200控制组件控制所述基体200旋转，以使等离子体沉积于所述基体200的外圆周面形成环形单晶无机非金属部件。
本实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作设备10，用于制作环形单晶无机非金属部件。利用该制作设备10制作的单晶无机非金属部件具有较大的强度，适用于多种设备。具体的，可以将该制作设备10制作的环形单晶无机非金属部件用作飞轮储能器的飞轮，且能够满足飞轮储能器的高速旋转而不爆炸的需求，极大程度地提升飞轮储能器的储能效率。
制作设备10可以包括制备容器100、基体200和基体控制组件300，将基体200设置在制作设备10内，基体控制组件300用于控制基体200的固定和旋转。制备容器100提供制作环形单晶无机非金属部件所需要的环境和条件，在基体200的外圆周面上形成所需要的环形单晶无机非金属部件。
制备容器100可以包括微波室110和等离子室120，且微波室110与等离子室120隔离设置。微波室110内设置有微波发生器111，用于产生微波，并将所产生的微波传输至等离子室120。等离子室120设置有进气口123，通过进气口123可以向等离子室120内输入气体，例如原料气体或者保护气体。所述微波室内还设置有真空装置130，所述真空装置130用于将等离子室120内抽成真空或者用于控制等离子室120内的气压。输入等离子室120内的原料气体，可以在微波室110传输的微波的激励下，形成等离子体。
在一种具体实施方式中，可以将所述微波室110和所述等离子室120沿安装线依次设置，且所述微波室110与所述等离子室120隔离。具体的，将微波室110与等离子室隔离密封，且将等离子室120与外界密封，以保证等离子室120内的无氧环境。
基体200为环形单晶无机非金属部件的承载部件，用于沉积等离子体。将基体200设置于等离子室120内，具体设置于等离子室120内的等离子分布区域。基体控制组件300控制基体200稳定在等离子分布区域，并在该等离子分布区域内旋转，以使得等离子室120内的等离子体沉积在基体200的外圆周面，进而形成所需的环形单晶无机非金属部件。
基体控制组件300控制基体200在等离子室120内的固定和旋转。具体地，基体控制组件300将基体200夹持和控制在等离子室120内，且能够控制基体200在竖直平面内绕基体200的中心轴旋转，以使基体200的外圆周面暴露于等离子体的沉积区域内。
本实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作设备10的使用过程，包括：
提供一种对应所需的环形单击无机非金属部件的基体200，将所述基体200套设在所述制作设备10的等离子室120内的基体控制组件300。启动真空装置130将等离子室120抽成真空，向所述制作设备的等离子室120内通入保护气体，并通过真空装置130将所述等离子室120内的气压控制到0.1千帕以下。向所述等离子室120内通入原料气体，开启所述制作设备的基体控制组件300，以使所述基体200达到预定转速。开启所述制作设备的微波发生器111，将所述微波发生器111产生的微波传输至等离子室内120，微波激励等离子室120内的原料气体，形成等离子体。所述基体200的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。
本实施例所述的原料气体，为与所需的环形单晶无机非金属部件材料一致的气体。例如，若环形单晶无机非金属部件为合成金刚石，则所述原料气体可以为氢气和甲烷；若环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石，则所述原料气体可以为甲基三氯硅烷和氢气；若所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石，则所述原料气体可以包括三氯化铝、氢气和二氧化碳。所述原料气体也可以为其他与所需制作的环形单晶无机非金属部件一致的气体，在此不作限定。
上述本实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作设备，设置微波室和等离子室，通过在等离子室内设置可旋转的基体，使得基体的外圆周面上能够均匀沉积无机非金属等离子体，从而能够在基体的外圆周面上形成环形单晶无机非金属部件。该环形单晶无机非金属部件具备高强度、高硬度、高导热性以及低热膨胀系数等性能，可以作为飞轮使用于飞轮储能器，从而使得高储能密度的飞轮制作成为可能。制作设备结构简单、成本较低，且制作效率较高。
在上述实施例的基础上，所述微波室110内还可以设置有微波发生器111，用于产生微波。所述微波室110内还可以设置波导管115，所述波导管115的输入端与微波发生器111的输出端连通，波导管115的输出端朝向等离子室120设置。这样，微波发生器111产生的微波即可通过波导管115传输至等离子室120。
在上述实施例的基础上，所述微波室110可以包括顶盖114和侧壁113，所述顶盖114盖合在所述侧壁113上；
所述顶盖114与所述侧壁113通过滑动件112滑动连接；
所述微波发生器111和所述波导管115均设置于所述顶盖114上；
所述滑动件112用于调节所述顶盖114与所述等离子室120之间的距离。
本实施例提供的制作设备10，微波室110由侧壁113和盖合在侧壁113上的顶盖114围合而成。将微波发生器111和波导管115设置在顶盖114上，可以通过滑动件112调节顶盖114与侧壁113之间的相对位置，也就可以改变顶盖114上的微波发生器111和波导管115与微波室110底端的距离，进而改变顶盖114与等离子室120之间的距离。通过改变微波发生器111与等离子室120之间的距离，可以调节等离子室120内接收到的微波的密度，进而改变等离子室120的沉积效率，以实现对环形单晶无机非金属部件的制作效率的调节。
具体的，微波室110可以为筒状侧壁113围合而成的圆柱形腔体，顶盖114盖合在侧壁113上以封闭所形成的圆柱形腔体。构成微波室110的侧壁113可以由金属材料制成，金属材料制成的侧壁可以有效阻止微波散失，对整个微波产生环境的保护效果更强。在其他实施方式中，还可以在微波室110外设置冷却系统，以有效控制微波室110的温度。具体的，微波室110外的冷却系统可以为风冷系统或者水冷系统，其他能控制微波室110温度的冷却系统的方案均可应用于本实施例，不作限定。
在上述实施例的基础上，所述等离子室120可以包括隔离罩121和侧边凸台122，所述隔离罩121盖合在所述侧边凸台122上；
所述侧边凸台122开设有所述进气口123；
所述隔离罩121用于隔离所述微波室110和所述等离子室120；
所述进气口123用于向所述等离子室120内输送保护气体。
本实施例提供的制作设备10，隔离罩121盖合在等离子室120的顶端，将等离子室120与等离子室120上端的微波室110有效隔离。等离子室120也可以为与微波室110对称设置的圆柱形腔体，以便较为高效的接收微波室110传输的微波。
在一种具体实施方式中，隔离罩121可以为石英罩，石英罩与侧边凸台122之间密封装配，起到较好的隔离和密封的效果，且能将等离子室120内的等离子体约束在石英罩内。
所述等离子室120设置有用于对等离子室120内抽真空和控制等离子室120内气压的真空装置130，所述真空装置130包括设置在等离子室120的底部的连通管道131以及与该连通管道131连接的真空泵132，通过真空泵132能够实现对等离子室120内抽真空和对等离子室120内气压的控制。
在上述实施例的基础上，为进一步提高制作设备10的制作效率，所述微波发生器111、所述波导管115和所述基体200可以位于同一安装线上。
将所述微波室110和所述等离子室120设置于同一条直线上，以使得主要功能部件，例如微波发生器111、波导管115和基体200等，位于同一安装线上。这样，微波发生器111产生的微波通过波导管115可以直接传输至等离子室120，等离子室120内的原料气体在微波激励下也可以产生较多朝向所述基体200沉积的等离子体，因此，可以以较高的效率产生所需的环形单晶无机非金属部件。
在上述实施例的基础上，所述基体控制组件300可以包括基体安装平台310和基体夹持装置320；
所述基体200和所述基体夹持装置320均设置于所述基体安装平台310上；
所述基体夹持装置320用于夹持所述基体200在所述基体安装平台310上固定和旋转。
具体的，所述基体夹持装置320可以包括支持件321、转轴322和驱动装置323；
所述支持件321设置于所述基体安装平台310上，所述转轴322架设在所述支持件321上，并能够相对所述支持件321转动，所述转轴322与所述驱动装置323传动连接，所述基体200套设在所述转轴322上；
所述驱动装置323用于驱动所述转轴322转动，以使所述转轴322带动所述基体200旋转。
具体的，所述基体安装平台310包括支撑平台311和伸缩杆312，所述伸缩杆312与所述支撑平台311连接；
所述伸缩杆312用于支撑所述支撑平台311，调节所述支撑平台311的高度。
上述本实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作设备10，基体控制组件300控制基体200的固定和旋转。基体控制组件300包括基体安装平台310和基体夹持装置320，基体200和基体夹持装置320设置于基体安装平台310上，基体安装平台310提供支撑作用，基体夹持装置320夹持基体200在基体安装平台310上固定和旋转。
基体安装平台310包括支撑平台311，基体200和基体夹持装置320设置于该支撑平台311上，实现等离子体接收功能。基体夹持装置320包括支持件321、转轴322和驱动装置323，支持件321固定设置于支撑平台311上，用于将基体200及其所套设的转轴322架设在该支撑平台311上。将转轴322架设在所述支持件321上，且使得所述转轴322能够相对所述支持件321转动。所述支持件321的端部可以为开放式的半圆形容纳槽，所述转轴322放置在所述半圆形容纳槽内。所述支持件321的端部也可以为封闭的圆形孔，所述转轴322穿过所述圆形孔，在所述圆形孔内转动。其他能实现转轴322架设在支持件321上且能够相对支持件321转动的方案均可适用于本实施例，不作限定。
所述转轴322在所述基体安装平台310上水平安装，支持件321与转轴322的一端活动连接，转轴322的另一端与驱动装置323传动连接，且将基体200套设在转轴322上。这样，驱动装置323驱动转轴322转动，转轴322带动基体200在支撑平台311上旋转，实现基体200的外圆周面上的等离子体的沉积。
进一步的，所述基体安装平台310还可以包括伸缩杆312，所述伸缩杆312与支撑平台311连接，以调节支撑平台311，进而实现对支撑平台311上的基体200设置高度的调节。通过伸缩杆312可以有效调节基体200的高度，以改变基体200与等离子室120内等离子体的距离，可以有效提高基体200上等离子体的沉积效率。
伸缩杆312的下端可以固定在等离子室120的底部内壁，或者穿过所述等离子室120的底部固定在设备安装平台上。如果伸缩杆312的下端穿过等离子室120的底部固定设置于设备安装台上，则可以在伸缩杆312穿过等离子室120的位置设置第一密封件313，以保证等离子室120内的真空环境。具体的，第一密封件313可以为氟橡胶密封圈。
在上述实施例的基础上，驱动装置323可以设置于制备容器100的外侧，转轴322穿过石英罩安装。具体的，可以在转轴322穿过石英罩的位置设置第二密封件324，以提高等离子室120的密封性。
在上述实施例的基础上，考虑到环形单晶无机非金属部件的制备过程中，等离子室120内是高温环境。因此，可以将所述转轴322和支持件321选为陶瓷材料，耐高温，使用寿命较长。转轴322穿过石英罩位置处设置的第二密封件324可以选择耐高温，且密封性较强的铅金属密封件，以进一步提高设备的使用寿命。
在上述实施例的基础上，所述等离子室120内还可以设置加热器，所述加热器靠近所述基体200设置；并且/或者
所述制作设备10还包括冷热交换装置400，所述冷热交换装置400靠近所述基体200设置。
本实施例中，在所述基体200附近设置加热器，用于基体200的预热，以提高等离子体的沉积效率。
具体的，可以在制备容器100的底部设置有向该制备容器100的内部延伸的容纳腔体140，该容纳腔体140可以与外界环境相通。冷热交换装置400可以设置于容纳腔体140内，用于控制制备容器100内的环境温度。
容纳腔体140设置于基体安装平台310的正下方，容纳腔体140可以直接由等离子室120的侧壁直接形成，或者通过在等离子室120的底部安装空心圆柱形构件形成。若该容纳腔体140是通过在等离子室120的底部安装空心圆柱形构件形成，则该空心圆柱形构件的腔体即为容纳腔体140。进一步的，可以在该空心圆柱形构件的外壁与等离子室120的侧壁113连接的位置设置第三密封件141，该第三密封件141也可以为氟橡胶密封圈。
在一种具体实施方式中，冷热交换装置400可以包括沿竖直方向设置的流体管道410，且该流体管道410的上端与容纳腔体140的顶部内壁之间保留有一定的间隙，换热气体从流体管道410的下端进入，并从流体管道410的上端流出，经过容纳腔体140的顶部内壁后沿流体管道410的外壁流出。流出后的换热气体可以回到外接的换热器换热后，再进入流体管道410循环换热，从而实现对容纳腔体140的顶部内部的加热或者冷却。由于基体设置于容纳腔体140顶部的基体安装平台310上，对容纳腔体140顶部内壁的冷热调控，即可通过热传导实现对基体安装平台310，以及设置于基体安装平台310上的基体200的冷热调控。在其他实施方式中，冷热交换装置400也可以采用其他热交换方案，不作限定。
在上述实施例的基础上，如图3所示，所述基体200可以包括圆环形承载件220，设置于所述圆环形承载件220内的套接环210，以及连接所述圆环形承载件220和所述套接环210的连接件230，所述圆环形承载件220与所述套接环210同轴设置；
所述转轴322与所述套接环210传动连接；
所述圆环形承载件220的外圆周面用于沉积等离子体而形成所述环形单晶无机非金属部件。
本实施例提供的制作设备10，所应用的基体200可以包括套接环210、环形承载件以及连接件230，将圆环形承载件220与中心同轴设置，通过连接件230连接套接环210和圆环形承载件220，然后将基体200的套接环210与转轴322传动连接。这样，驱动装置323带动转轴322转动，转轴322带动与之传动连接的套接环210转动，套接环210带动圆环形承载件220转动，圆环形承载件220的外圆周面朝向所述等离子室120内的等离子沉积方向设置。这样，圆环形承载件220旋转过程中，圆环形承载件220的外圆周面即可用于沉积等离子体，进而形成环形单晶无机非金属部件。
具体的，连接件230可以为至少两个对称的相互间隔设置的扇叶形连接结构，用于固定连接套接环210和圆环形承载件220。通过至少两个相互间隔设置的连接结构连接基体200的套接环210和圆环形承载件220，以满足连接功能，且同时减轻了基体200的重量和原料成本。
在一种具体实施方式中，所述圆环形承载件220、所述套接环210和所述连接件230还可以一体成型。将基体200设置为一体成型的结构，便于批量生产加工，节省了加工和装配流程。
在一种具体实施方式中，所述基体200可以由钛合金或者碳纤维材料制成。
基体200选择钛合金或者碳纤维材料制成，或者基体200的圆环形承载件220由钛合金或者碳纤维材料制成。上述材料密度较小，且强度较高，减轻基体200的重量，保证了基体200高速旋转的稳定性和等离子体的沉积效果，提升了环形单晶无机非金属部件的生成效率。
通过上述方法制作的环形单晶无机非金属部件在用作飞轮储能器的飞轮时，其可以和基体一体直接作为飞轮使用，而不必进行拆卸，即直接将套接环210与飞轮储能器的旋转轴配合安装，操作简单、方便。
本发明实施例提供的环形单晶无机非金属部件的制作设备的具体实施过程，可以参见上述图1所示的环形单晶无机非金属部件提供的制作方法的具体实施过程，在此不再一一赘述。
本发明实施例还涉及一种飞轮，所述飞轮为利用如上述图1所示的制作方法，制作的环形单晶无机非金属部件。
本发明实施例提供的飞轮可用于储能器，其制作所应用的环形单晶无机非金属部件的制作设备设置微波室和等离子室，通过在等离子室内设置可旋转的基体，使得基体的外圆周面上能够均匀沉积无机非金属等离子体，从而能够在基体的外圆周面上形成环形单晶无机非金属部件。该环形单晶无机非金属部件具备高硬度、高导热性以及低热膨胀系数等性能，可以作为飞轮使用于飞轮储能器，从而使得高储能密度的飞轮制作成为可能。制作设备结构简单、成本较低，且制作效率较高。本发明实施例提供的飞轮储能器的具体实施过程，可以参见上述图1和图2所示的实施例的具体实施过程，在此不再一一赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种环形单晶无机非金属部件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
提供基体；
将所述基体置于真空环境；
向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；
驱动所述基体旋转并达到预定转速；
传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；
所述基体的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述真空环境的构建方法包括如下步骤：
将密封空间抽真空后通入保护气体，控制保护气体的通入量，使所述密封空间的气压小于0.1千帕。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述基体经过预处理，所述预处理的方法包括：
使用金刚石粉，研磨所述基体的外圆周面；
使用去离子水和丙酮清洗所述基体的外圆周面；
在所述基体的外圆周面上涂覆石墨。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，传输微波至所述原料气体环境的步骤之前，所述方法还包括：
加热所述基体，使所述基体的温度达到400摄氏度至600摄氏度。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述预定转速为5转/分钟至1000转/分钟。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷；
或者，
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气；
或者，
所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石；所述原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，
所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷时，
所述氢气的流量为200标准毫升/分钟至450标准毫升/分钟，所述甲烷的流量为10标准毫升/分钟至30标准毫升/分钟；
向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压大于6千帕；
微波的传输频率为0.8吉赫兹至6吉赫兹，输出功率为0.6千瓦至30千瓦；
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气时；
所述甲基三氯硅烷的流量为60标准毫升/分钟至100标准毫升/分钟，所述氢气的流量为600标准毫升/分钟至1000标准毫升/分钟；
向所述原料气体环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压小于10千帕；
微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦；
所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石；所述原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳时，
所述三氯化铝的温度为100摄氏度至150摄氏度；
所述二氧化碳的流量为15标准毫升/分钟至75标准毫升/分钟，所述氢气的流量为150标准毫升/分钟至250标准毫升/分钟；
向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压为0.55千帕至0.65千帕；
微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：
所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷时，
所述原料气体环境内所述甲烷的浓度为6％至20％；
微波功率密度为0.1千瓦/立方厘米至0.2千瓦/立方厘米；
所述原料气体环境的气体压力为20千帕至40千帕；
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气时；
所述原料气体环境内所述甲基三氯硅烷的浓度控制在2％至5％；
微波功率密度大于0.2千瓦/立方厘米。
9.一种环形单晶无机非金属部件的制作设备，其特征在于，利用如上述权利要求1至8中任一项所述的环形单晶无机非金属部件的制作方法制作环形单晶无机非金属部件，所述制作设备包括：制备容器、基体和基体控制组件；
所述制备容器包括微波室和等离子室，所述微波室与所述等离子室隔离，所述微波室内设置有微波发生器，所述等离子室设置有进气口和真空装置，所述真空装置用于将所述等离子室抽真空，并控制所述等离子室内的气压，从所述进气口进入所述等离子室中的原料气体能够在微波激励下形成等离子体；
所述基体设置于所述等离子室内的等离子体分布区域，所述基体控制组件用于控制所述基体旋转，以使等离子体沉积于所述基体的外圆周面形成环形单晶无机非金属部件。
10.一种飞轮，其特征在于，所述飞轮为利用如权利要求1至8中任一项所述的环形单晶无机非金属部件的制作方法制作的环形单晶无机非金属部件。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: Room 301-1, No. 2 Xinfeng Street, Xicheng District, Beijing, 100088 (Desheng Park) Applicant after: Zhiyue Tengfeng Technology Group Co.,Ltd. Address before: Room 301-1, No. 2 Xinfeng Street, Xicheng District, Beijing, 100088 (Desheng Park) Applicant before: TECHNOLOGIES' XANADU OF RESONATORY-SOLAR-SYSTEMED Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20210415 Address after: Room 1202a, 12 / F, block B, building 1, yard 19, Ronghua Middle Road, economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Applicant after: Jin Pu Address before: Room 301-1, No. 2 Xinfeng Street, Xicheng District, Beijing, 100088 (Desheng Park) Applicant before: Zhiyue Tengfeng Technology Group Co.,Ltd. |