一种离子推进器C/C栅极的制作方法
技术领域
本发明涉及离子推进器，尤其涉及一种离子推进器C/C栅极的制作方法。
背景技术
由于金属钼在1200℃仍有很高的强度，其比强度（强度/密度）很大，因此现有的离子推进器的栅极组件很多都使用金属钼栅极。而离子推进器的作用是引出和加速离子，产生推力，在离子加速时栅极易遭受离子溅射轰击，离子推进器在加速栅极下游生成的离子会对加速栅极表面产生溅射刻蚀，在小孔周围形成深槽或深坑，使加速栅极的小孔直径扩大，不能有效地阻止电子返流，从而导致离子推进器工作故障，这也是限制屏栅和加速栅寿命的决定性因素。而金属钼栅极对氙离子溅射率较高，不能满足长达一万多小时的推进器寿命要求。而且，离子推进器的放电室等离子体在电离和加速过程中会放出大量热量，这些热量会对很薄的栅极产生影响，由于热量分布不均匀易产生热变形和热应力，钼栅极受热发生膨胀，造成网眼轴线偏斜，甚至造成加速栅和屏栅接触短路，使栅极组件失效。为了减少热膨胀的影响，不得不将钼栅极制成微凹的形状，但这使得栅极的加工难度大，网眼对准性低，尤其对于大直径的栅极组件这种问题将更为严重。
为了解决钼栅极存在的问题，目前在离子推进器中也有用碳（C）栅极替代钼栅极。它与钼栅极相比，具有热膨胀系数小、耐高温、离子溅射率较低和密度低等特点，是制造离子推进器栅极较为理想的材料。但是由于碳栅极是一种薄壁多孔的结构，而目前基本采用机械开孔的形式来加工碳栅极，这会造成大量的碳纤维截断，大大降低栅极的结构强度。在太空中使用离子推进器，特别是大直径的推进器时，会带来严重的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种离子推进器C/C栅极的制作方法，其可避免因开孔造成碳纤维的大量截断，提高了C/C栅极的结构强度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种离子推进器C/C栅极的制作方法，包括以下具体步骤：
（1）、根据需要制作的加速栅和屏栅的尺寸参数要求，分别用碳纤维束编织出符合各自尺寸参数要求的具有栅孔的网格碳布，即加速栅碳纤维预制体和屏栅碳纤维预制体；
（2）、对加速栅碳纤维预制体和屏栅碳纤维预制体进行热处理，即碳化处理；
（3）、分别在碳化处理后的加速栅碳纤维预制体和屏栅碳纤维预制体内沉积碳基体，制备出有效致密化的碳/碳复合加速栅和碳/碳复合屏栅。
进一步地，所述的步骤（2）中，碳化处理的具体方法为：先对碳化炉抽真空，然后以5℃/s的速率将炉内温度升至300oC，保温5～10min后再以2℃/s的速率将炉内温度升至950oC，保温2小时，最后通过自然冷却将炉内温度降至室温，且在碳化处理的过程中，碳化炉内的真空度保持不变。
进一步地，所述的步骤（3）中，以丙烯为碳源前驱体，采用等温化学气相渗透（ICVI）工艺在加速栅碳纤维预制体和屏栅碳纤维预制体内沉积碳基体。
进一步地，所述的步骤（1）中，所采用的编织模具包括耐高温的底盘和多根固定在底盘上的耐高温的定位杆，多根定位杆的尺寸、形状以及排列与需要制作的加速栅和屏栅的尺寸参数相匹配。
进一步地，所述的底盘和所述的定位杆的材质为耐热金属或陶瓷等。
进一步地，所述的步骤（1）通过二维的编织方式编织出具有栅孔的加速栅碳纤维预制体和屏栅碳纤维预制体，且栅孔的形状为规则多边形，如：正四边形、正六边形、正三角形等。
进一步地，所述的碳纤维束的横截面形状为规则多边形，如正五边形、正六边形、扁平状的八边形、正八边形等等。
与现有技术相比，本发明的优点是通过本方法制备碳/碳复合加速栅和碳/碳复合屏栅，可避免传统碳栅组件因开孔而造成碳纤维的大量截断，提高了C/C栅极的结构强度，满足不同场所的离子推进器的使用需求，同时也降低了碳栅组件特别是屏栅的加工难度。
附图说明
图1为离子推进器的加速栅组件的结构示意图；
图2为离子推进器的屏栅组件的结构示意图；
图3为本发明在编织模具上编织出的加速栅碳纤维预制体的结构示意图；
图4为本发明用于编织加速栅碳纤维预制体的碳纤维束的横截面形状示意图；
图5为本发明在编织模具上编织出的屏栅碳纤维预制体的结构示意图；
图6为本发明用于编织屏栅碳纤维预制体的碳纤维束的横截面形状示意图；
图7为本发明的编织模具的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例以10cm离子推进器栅极组件的制作为例，栅极的有效直径，即盘面开孔区域直径为110mm，开孔数2255，栅极孔中心间距为2.2mm，栅孔以六角形阵列分布。其中：加速栅1的孔径为1.1mm，厚度为0.54mm，屏栅2的孔径为1.95mm，厚度为0.45mm。
如图所示，一种离子推进器C/C栅极的制作方法，包括以下具体步骤：
（1）、根据需要制作的加速栅1和屏栅2的尺寸参数要求，分别用碳纤维束通过二维三轴的编织方式在编织模具上编织出符合各自尺寸参数要求的具有六边形栅孔的网格碳布，即加速栅碳纤维预制体3和屏栅碳纤维预制体4，如图3、5所示，其中：用于编织加速栅碳纤维预制体3的碳纤维束的横截面形状为扁平状的八边形，如图4所示，用于编织屏栅碳纤维预制体4的碳纤维束的横截面形状为正八边形，如图6所示；
（2）、对加速栅碳纤维预制体3和屏栅碳纤维预制体4分别进行碳化处理；
（3）、以丙烯为碳源前驱体，采用等温化学气相渗透（ICVI）工艺分别在碳化处理后的加速栅碳纤维预制体3和屏栅碳纤维预制体4内沉积碳基体，制备出有效致密化的碳/碳（C/C）复合加速栅和碳/碳（C/C）复合屏栅。
上述实施例中，步骤（2）的碳化处理可采用以下具体方法：将带有加速栅碳纤维预制体3和屏栅碳纤维预制体4的编织模具放入碳化炉中，并对碳化炉抽真空，控制真空度小于等于500Pa，然后以5℃/s的速率将炉内温度升至300oC，保温5～10min后再以2℃/s的速率将炉内温度升至950oC，保温2小时，最后通过自然冷却将炉内温度降至室温，且在碳化处理的过程中，碳化炉内的真空度保持不变。除该方法以外，也可采用本领域的其它碳化处理方法。
此外，上述实施例中，步骤（1）所采用的编织模具包括底盘5和多根固定在底盘5上的耐高温的定位杆6，多根定位杆6的尺寸、形状以及排列与需要制作的加速栅1和屏栅2的尺寸参数相匹配，底盘5和定位杆6的材质可为耐热金属或陶瓷等。此外，步骤（1）中还可根据不同的需要通过二维的编织方式编织出具有不同栅孔形状的加速栅碳纤维预制体3和屏栅碳纤维预制体4，栅孔的形状主要为规则多边形，如：正四边形、正六边形、正三角形等；碳纤维束的横截面形状主要为规则多边形，如正五边形、正六边形、扁平状的八边形、正八边形等等。碳纤维束可采用日本东丽的高强型T700碳纤维束或高模型M50J碳纤维束等。
将制备得到的碳/碳（C/C）复合加速栅与外围基体复合固定就可得到碳/碳加速栅组件，将碳/碳（C/C）复合屏栅与外围基体复合固定就可得到碳/碳屏栅组件。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
