CN113773102B - 一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于离子推进器技术领域，公开一种用于空间离子推进器用的法兰一体化碳/碳屏栅极结构及其制备方法；所述方法包括：步骤1、制备面密度为100‑200g/m2的纤维单向预浸料；步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化形成边缘带有加强筋法兰结构的坯板；步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化；步骤4、致密化处理；步骤5、加工栅极离子通过孔和法兰连接孔。本发明采用栅极支撑环和栅极一体化结构和制备方法，解决了现有碳碳屏栅极加工后变形大，平面度差的问题，减少装配应力。同时省去栅极支撑环和栅极的连接螺钉，降低装配难度。

Description

一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构及其制备方法
技术领域
本发明属于离子推进器技术领域，特别涉及一种用于空间离子推进器用的法兰一体化碳/碳屏栅极结构及其制备方法。
背景技术
空间离子光学系统(也称栅极组件)由屏栅极和加速栅极组成，是空间离子推进器的关键组件之一。其中栅极通常是使用0.3～1.5mm很薄的圆形材料制备，在圆形中间约占圆形表面80％的区域加工大量密集的直径为1～4mm的离子通过孔，圆形边缘加工6～12个安装孔。由于栅极之间的安装距离一般小于1mm，当在屏栅加正电位，加速栅加负电位情况下，电极之间会形成强度很高的静电场系统，从而聚焦并加速放电室工质气体电离后产生的离子穿过离子通过孔，形成空间推力。栅极组件的材料和结构不但直接关系到离子推进器的，还决定着推进器的可靠性和寿命，是离子电推进器的重点研究对象。
为了获得更好的推力、比冲、效率等性能参数，要求栅极系统中的屏栅极厚度不能超过0.8mm，中间区域离子通过孔在数量和加速栅一样的情况下，孔的面积要尽可能的大，这就导致孔与孔之间连接的材料很少，两孔之间剩余材料的宽度一般在0.25～0.5mm之间，同时为保证栅极之间不导通，要求屏栅极在大量去除材料后还要保持良好的面的平整度和较高的刚度。
传统栅极板为钼合金材料，屏栅在离子通过孔加工后还需要二次高温整形。另外，离子电推进器放电室的等离子体在电离和加速过程中会放出大量的热量，这些热量分布不均匀，会对很薄的钼合金材料栅极产生热变形和热应力。造成网眼轴线偏斜，甚至造成加速栅极和屏栅极接触短路，使得栅极组件失效。随着离子推进器空间应用寿命需求的不断增加，钼合金材料组成的栅极组件很难满足在高速流密度和高比冲下的热稳定性、耐离子溅射能力。
文献报道国外采用碳基材料如热解石墨，PG，和C/C复合材料制备栅极的报告，以上的碳材料具有接近零的热膨胀系数，比钼合金材料更低的离子溅射率以及耐高温和低密度的特点。其中C/C复合材料因为有碳纤维增强结构，有较强的刚度在是制造大尺寸栅极离子推进器栅极，是屏栅极最为理想的材料。
中国专利申请CN111646814A号，公开《一种离子推进器C/C栅极的制作方法》是采用先碳纤维编织后网格碳布预制体后碳化和沉积的方法制备屏栅和加速栅的两种栅极。这种方法有两个问题，虽然纤维是连续的，但在编织过程中纤维要穿过很多导柱，致使纤维之间应力存在差异，固化以及碳化过程中易造成平面不平。工作状态下热应力产生更大的形变。第二，由于纤维编织结构是六边形，因此制备圆孔部分边缘仅为纯碳基结构，强度低，易在离子溅射下脱落。制备屏栅极编织难度则更为困难。
文献《低温与真空》第22卷第3期《离子推力器碳基材料栅极研究进展》中，其中屏栅采用6层碳布呈[0°/+60°/-60°/-60°/+60°/0°角度压合而成，厚度为0.50mm，采用电火花(EDM)开孔。由于碳布0度和60度铺层角度，导致碳板水平方向和竖直方向应力差异28％，屏栅中间区域开孔数量多，开孔的直径大，导致栅极中间区域材料去除率率超过60％。因此，用这种方法制备的屏栅在加工结束后，由于应力不均，栅极外部环状安装区域结构强度不足以平衡加工后的应力分布，导致屏栅型面存在扭曲变形的现象。文献《机械设计及自动化》2012年2月中问斩《Kaufman离子推力器离子光学引出系统的结构设计》中栅极制备的屏栅极用螺钉紧固件和栅极支撑环连接在一起，最后再通过绝缘支撑结构将两组栅极连接在一起。若屏栅平整度较差，通过螺钉紧固件将屏栅平整的固定在栅极支撑环上时，需要四周有分布大量的对称螺钉固定屏栅，装配难度大，增加产品重量。此外，加工后变形较大的屏栅极通过螺钉压平过程中，产品内部会产生较大的内应力，在设备运行过程中导存在热应力的质量隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构及其制备方法，以克服现有技术中碳碳栅极屏栅加工后变形，平面度较差以及产品结构强度较低的技术问题。此结构和制备方法适用于双栅极和三栅极系统的平面屏栅极结构和球冠面屏栅极结构。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将模量为500-800Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为80-200g/m2的纤维单向预浸料；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得屏栅极薄坯板；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化；碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔和法兰连接孔。
本发明进一步的改进在于：步骤1中，所述树脂胶膜由质量比为(75-90)：(10-25)的酚醛树脂和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为15-30g/m2。
本发明进一步的改进在于：所述酚醛树脂的碳含量为60％-75％。
本发明进一步的改进在于：所述酚醛树脂的型号为FB90(不限于)。
本发明进一步的改进在于：所述树脂胶膜的制备方法包括：原料选择质量比为(75-90)：(10-25)的酚醛树脂FB90和中间相沥青；先将酚醛树脂在混料机中加热到65℃±5℃，再将称量好的粒径100目-300目的中间相沥青粉末加入酚醛树脂中，并进行搅拌，搅拌速度为80转/分钟，搅拌时间为90min。将混合完成后的混合物放入胶膜机中，制成20-30g/m2的树脂胶膜。
本发明进一步的改进在于：步骤1中，纤维单向预浸料的厚度为0.06-0.1mm。
本发明进一步的改进在于：步骤2中，压制固化具体包括：
将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.1～0.5MPa，保持25～35min；然后升温至180℃，加压5～8MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压5～8MPa，保持2h；然后5～8MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min。
本发明进一步的改进在于：步骤2中，所述将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中的步骤，具体包括：
最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度、45度、-45度、90度、90度、-45度、45度、0度铺贴8层。
本发明进一步的改进在于：步骤2中，铺贴的若干层纤维单向预浸料均为正方形，便于确定纤维角度。
本发明进一步的改进在于：所述金属一体化屏栅模具和石墨一体化屏栅模具结构相同，均为一体化屏栅门型法兰结构模具或一体化屏栅双环法兰结构模具。
本发明进一步的改进在于：一体化屏栅门型法兰结构模具的外径150mm，厚度0.48mm门型法兰高度h为3～5mm，宽度10～25mm，倾斜角60度。
本发明进一步的改进在于：一体化屏栅双环法兰结构的外径150mm，厚度0.48mm门型法兰高度h为3～5mm，宽度10～25mm，双环的截面半径R为3～5mm。
本发明进一步的改进在于：金属一体化屏栅模具和石墨一体化屏栅模具的型面进行抛光处理，粗糙度为0.4。
本发明进一步的改进在于：步骤3中，将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化，具体包括：
将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率3～5℃/min，升温至最高温度保持24～48h，随炉自然冷却到室温；
所述最高温度为1600～2000℃；
升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温。
本发明进一步的改进在于：所述对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理的步骤，具体包括：
把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为950℃～1100℃，炉压小于1kPa；沉积时间为50～200h。
本发明进一步的改进在于：栅极离子通过孔按正三角形形式分布。
本发明进一步的改进在于：加工栅极离子通过孔和法兰连接孔是，以致密化的屏栅碳碳坯板的法兰内圆为基准，使用三轴激光切割机，氮气为保护气体，加工所有的栅极离子通过孔和法兰连接孔，最后切割外形，去除法兰环外多余边缘边角材料。
第二方面，本发明提供一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构，由所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法制备而成。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构及其制备方法，采用栅极支撑环和栅极一体化结构和制备方法，解决了现有碳碳屏栅极加工后变形大，平面度差的问题，减少装配应力。同时省去栅极支撑环和栅极的连接螺钉，降低装配难度。
本发明采用栅极支撑环和屏栅极一体化结构设计，相当于在原有法兰安装位置上设计为有圈加强环结构一个薄板加工成的屏栅级，使得屏栅极整体结构强度得到增加。加强环形式可以是门型板结构，也可以是双环筋结构。同样材质下，这种结构可比平面平板结构的模量高20％～40％；具有更好的结构刚度，降低栅极孔加工后的变形。这种结构对屏栅极直径在50mm以上的产品保持平面度效果更为明显。
本发明采用酚醛树脂与中间相浸渍沥青混合物作为碳基前驱体。中间相浸渍沥青属于热塑性树脂，具有95％以上的残碳率，按重量比10％～25％与酚醛树脂完全混合后，可以使树脂在70摄氏度的粘度达到15000～35000cP，适合于热熔预浸料浸渍用树脂要求。该前驱体碳化后，成碳率达到85％以上，制成的碳碳材料不需要二次增密的工艺。简化了工艺流程。
本发明用热熔预浸料的方法将这种树脂膜材料与单向中间相沥青基碳纤维布制成的预浸片材产品，单层片材料的厚度为0.07～0.1mm。采用0/45/-45/90/90-/45/45/0共8层形成准各向同性铺层压合在一起的方式。栅极孔的设计分布是按正三角形形式，孔之间的夹角是60度。由于屏栅极离子通过孔的加工要求，在栅极面内0度和60度纤维方向上，无法存在连续的纤维，加工后剩余材料的强度是通过上下层分布的纤维通过碳基材来保持。45度铺层与60度铺层相比，其面内个方向的模量更加均匀。60度铺层面内主方向最大差值28％，而45度铺层主方向上的模量偏差为0。这种角度铺层压制制成的栅极坯板，厚度在0.5mm～0.8mm，满足厚度要求的同时，面内应力分布更加均匀。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1本发明一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构的结构示意图；
图2a为一种一体化屏栅门型法兰结构示意图；
图2b为一种一体化屏栅双环法兰结构示意图；
图3a为另一种一体化屏栅门型法兰结构示意图；
图3b为另一种一体化屏栅双环法兰结构示意图；
图4为栅极离子通过孔以及加工后余留材料示意图；
图5为铺层纤维角度示意图。
图中：1、栅极离子通过孔(图1在虚线范围内全是栅极离子通过孔)；2、法兰连接孔；3、一体化法兰；4、一体化屏栅门型法兰结构模具；5、一体化屏栅双环法兰结构模具；6、余留材料；7、0度纤维铺层；8、45度纤维铺层；9、-45度纤维铺层；10、90度纤维铺层。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明提供一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构及其制备方法，所述屏栅极直径150mm，厚度0.48mm；在直径为115mm范围内，加工小孔2200个，孔径为2mm,材料开孔率70％。
本发明一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将模量为500-800Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为80-200g/m2的纤维单向预浸料；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得有周缘凹凸结构法兰(门型，双环)形式的屏栅极薄坯板；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化；碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔和法兰连接孔。
步骤1中，所述树脂胶膜由质量比为(75-90)：(10-25)的酚醛树脂和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为20-30g/m2。
步骤1中，纤维单向预浸料的厚度为0.06-0.1mm。
步骤2中，压制固化具体包括：
将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.1～0.5MPa，保持25～35min；然后升温至180℃，加压5～8MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压5～8MPa，保持2h；然后5～8MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min。
步骤2中，所述将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中的步骤，具体包括：
最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度、45度、-45度、90度、90度、-45度、45度、0度铺贴8层。
所述金属一体化屏栅模具和石墨一体化屏栅模具结构相同，均为一体化屏栅门型法兰结构模具4或一体化屏栅双环法兰结构模具5。
步骤3中，将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化，具体包括：
将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率3～5℃/min，升温至最高温度保持24～48h，随炉自然冷却到室温；
所述最高温度为1600～2000℃；
升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温。
所述对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理的步骤，具体包括：
把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为950℃～1100℃，炉压小于1kPa；沉积时间为50～200h。
栅极离子通过孔按正三角形形式分布。加工栅极离子通过孔1和法兰连接孔2是，以致密化的屏栅碳碳坯板的法兰内圆为基准，使用三轴激光切割机，氮气为保护气体，加工所有的栅极离子通过孔和法兰连接孔，最后切割外形，去除法兰环外多余留材料6。
本发明一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构，由所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法制备而成。
实施例1
一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将模量为620Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为80g/m2的纤维单向预浸料；纤维单向预浸料的厚度为0.06mm；所述树脂胶膜由质量比为75：25的酚醛树脂FB90和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为20g/m2；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得屏栅极薄坯板；具体的，最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度纤维铺层7、45度纤维铺层8、-45度纤维铺层9、90度纤维铺层10、90度纤维铺层10、-45度纤维铺层9、45度纤维铺层8、0度纤维铺层7铺贴8层；压制固化具体包括：将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.1MPa，保持25min；然后升温至180℃，加压5MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压8MPa，保持2h；然后8MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化：将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率3℃/min，升温至最高温度保持48h，随炉自然冷却到室温；所述最高温度为2000℃；升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温；
碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；致密化处理，具体包括：把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为950℃，炉压小于1kPa；沉积时间为100h；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔1，在一体化法兰3上加工法兰连接孔2。
实施例2
一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将模量为790Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为200g/m2的纤维单向预浸料；纤维单向预浸料的厚度为0.08mm；所述树脂胶膜由质量比为80：20的酚醛树脂FB90和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为30g/m2；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得屏栅极薄坯板；具体的，最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度、45度、-45度、90度、90度、-45度、45度、0度铺贴8层；压制固化具体包括：将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.5MPa，保持30min；然后升温至180℃，加压6MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压6MPa，保持2h；然后6MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化：将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率5℃/min，升温至最高温度保持24h，随炉自然冷却到室温；所述最高温度为1800℃；升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温；
碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；致密化处理，具体包括：把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为1050℃，炉压小于1Kpa；沉积时间为150h；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔1和法兰连接孔2。
实施例3
一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将模量为800Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为130g/m2的纤维单向预浸料；纤维单向预浸料的厚度为0.07mm；所述树脂胶膜由质量比为90：10的酚醛树脂FB90的酚醛树脂和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为24g/m2；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得屏栅极薄坯板；具体的，最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度、45度、-45度、90度、90度、-45度、45度、0度铺贴8层；压制固化具体包括：将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.3MPa，保持35min；然后升温至180℃，加压5MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压6MPa，保持2h；然后8MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化：将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率4℃/min，升温至最高温度保持36h，随炉自然冷却到室温；所述最高温度为1600℃；升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温；
碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；致密化处理，具体包括：把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为980℃，炉压小于1kPa；沉积时间为120h；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔1和法兰连接孔2。
实施例4
一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将模量为640Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为180g/m2的纤维单向预浸料；纤维单向预浸料的厚度为0.1mm；所述树脂胶膜由质量比为85：15的酚醛树脂FB90和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为30g/m2；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得屏栅极薄坯板；具体的，最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度、45度、-45度、90度、90度、-45度、45度、0度铺贴8层；压制固化具体包括：将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.4MPa，保持25min；然后升温至180℃，加压8MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压5MPa，保持2h；然后8MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化：将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率5℃/min，升温至最高温度保持24h，随炉自然冷却到室温；所述最高温度为1600℃；升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温；
碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；致密化处理，具体包括：把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为1000℃，炉压小于1Kpa；沉积时间为50h；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔1和法兰连接孔2。
实施例5
一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将模量为500Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为150g/m2的纤维单向预浸料；纤维单向预浸料的厚度为0.06mm；所述树脂胶膜由质量比为75：25的酚醛树脂FB90和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为20g/m2；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化球冠面屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得屏栅极薄坯板；具体的，最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度、45度、-45度、90度、90度、-45度、45度、0度铺贴8层；压制固化具体包括：将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.5MPa，保持35min；然后升温至180℃，加压8MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压8MPa，保持2h；然后8MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化：将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率3℃/min，升温至最高温度保持48h，随炉自然冷却到室温；所述最高温度为1800℃；升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温；
碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；致密化处理，具体包括：把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为1100℃，炉压小于1Kpa；沉积时间为200h；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔1和法兰连接孔2。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将模量为500-800Gpa的中间相沥青基碳纤维和树脂胶膜通过复合机贴附在一起，并使树脂胶膜浸入在中间相沥青基碳纤维缝隙中，制成面密度为80-200g/m2的纤维单向预浸料；
步骤2、将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中，进行压制固化；压制固化后拆除金属一体化屏栅模具，获得有周缘凹凸结构法兰形式的屏栅极薄坯板；所述周缘凹凸结构法兰为门型法兰结构或者双环法兰结构；
步骤3、将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化；碳化后拆除石墨一体化屏栅模具，获得碳碳一体化屏栅极坯板；
步骤4、对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理，获得致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板；
步骤5、在致密化的法兰一体化碳/碳屏栅极坯板上加工栅极离子通过孔和法兰连接孔；
步骤1中，所述树脂胶膜由质量比为(75-90)：(10-25)的酚醛树脂和中间相沥青制成；树脂胶膜的面密度为15-30g/m2；
步骤1中，纤维单向预浸料的厚度为0.06-0.1mm。
2.根据权利要求1所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，其特征在于，步骤2中，压制固化具体包括：
将金属一体化屏栅模具放在压制机中，从室温升温至120℃，加压0.1～0.5MPa，保持25～35min；然后升温至180℃，加压5～8MPa，保持2h；然后升温至200℃，加压5～8MPa，保持2h；然后5～8MPa保压冷却至60℃；压制固化的过程中，温升速率3℃/min。
3.根据权利要求1所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述将若干层纤维单向预浸料由下至上逐层铺贴于金属一体化屏栅模具中的步骤，具体包括：
最底层纤维单向预浸料中纤维长度方向定义为0度方向；由下至上，纤维单向预浸料中纤维长度方向依次按照0度、45度、-45度、90度、90度、-45度、45度、0度铺贴8层。
4.根据权利要求1所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，其特征在于，所述金属一体化屏栅模具和石墨一体化屏栅模具结构尺寸相同，均为一体化屏栅凹凸法兰结构模具。
5.根据权利要求1所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，其特征在于，步骤3中，将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具中，进行碳化，具体包括：
将屏栅极薄坯板安装于石墨一体化屏栅模具后，放入炭化炉中，碳化炉中充入氮气后开始升温，升温速率3～5℃/min，升温至最高温度保持24～48h，随炉自然冷却到室温；
所述最高温度为1600～2000℃；
升温过程中，在400℃、700℃、1300℃下分别保持30min后按照升温速率继续升温。
6.根据权利要求1所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，其特征在于，所述对碳碳一体化屏栅极坯板进行致密化处理的步骤，具体包括：
把碳碳一体化屏栅极坯板放入CVI沉积炉中，炉体内通C3H6为碳源气体，N2为稀释气体，C3H6与N2的体积比例为3:1；沉积温度为950℃～1100℃，炉压小于1kPa；沉积时间为50～200h。
7.根据权利要求1所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法，其特征在于，栅极离子通过孔按正三角形形式分布。
8.一种法兰一体化碳/碳屏栅极结构，其特征在于，由权利要求1至7中任一项所述的一种法兰一体化碳/碳屏栅极的制备方法制备而成。
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