离子推进器C/C复合材料栅极研究

郑茂繁，江豪成，张天平，顾 左

（兰州物理研究所 真空低温技术与物理国家级重点实验室，兰州 730000）

0 前言

离子推进器是一种具有推力小、比冲高、寿命长等特点的电推进方式，其工作原理是利用电能将推进剂电离，由栅极组件将离子加速引出，从而产生推力。离子推进器的栅极组件（亦称离子光学系统）由屏栅极和加速栅极组成，它不但决定着离子推进器的性能，还决定着推进器的可靠性和寿命，是离子推进器的重点研究对象。在离子推进器研究初期，研制人员就开始着手研究不同材料栅极的性能。到目前为止，美国研制了钼、钛、石墨和C/C复合材料等多种材质和结构的栅极，如30 cm和57 cm大直径C/C复合材料栅极[1-2]，并应用于离子推进器；日本研制了10 cm、14 cm和20 cm的C/C复合材料栅极，分别应用于14 cm氙离子推进器[3]和 μ10[4]、μ20电子回旋微波离子推进器[5]，其中 μ10推进器已执行空间飞行任务；英国和德国也相继开展了C/C复合材料栅极的研究工作。

20世纪70年代，我国就开始进行离子推进器的研究，先后研制了8 cm汞离子推进器，9 cm和20 cm氙离子推进器，栅极采用的都是金属钼栅极。目前我国离子推进器的研究工作已进入空间飞行试验阶段，栅极仍选用金属钼栅极，其寿命在几千h。随着空间任务的发展，对电推进技术的需求也不断提高，特别是长寿命、大容量通信卫星对电推进器寿命提出新要求。推进器由于受金属钼栅极寿命的影响，离子推进器寿命不能满足长达 10 000多 h寿命的要求。而C/C复合材料热膨胀系数小，离子溅射系数低，机械强度较高，是离子推进器理想的栅极材料，可以较好地提高离子推进器的寿命和可靠性。因此有必要跟踪研究国外相关的研究状况，根据我国的技术发展要求，开展C/C复合材料推进器栅极的研究。

1 C/C复合材料栅极的发展和应用

早在 1990年代中期，美国喷气推进实验室（JPL）在NASA的支持下，针对NASTAR 30 cm氙离子推进器[1]就研制了30 cm的C/C复合材料栅极[1]。栅极组件以钼栅极为基线，设计了球面形C/C复合材料的屏栅极和加速栅极，栅极安装在C/C复合材料的安装环上，采用陶瓷绝缘，如图1所示。除紧固螺栓外，整个栅极组件没有金属材料。栅极由6层树酯预浸料坯纤维布粘接制成，纤维层间的纤维呈60°对称排列，在平板模具上进行碳化处理，再在半球形模具上，通过石墨化和化学气相沉积（CVD）方法进行致密化处理。栅极上的各孔采用激光打孔。

图1 30 cm 离子推进器的C/C复合材料栅极组件Fig. 1 C/C composite grid component for 30 cm ion thruster

之后，在美国制定的CBIO（Carbon Based Ion Optica）计划中，JPL又对NASTAR 30 cm离子推进器的C/C复合材料栅极进行了局部改进，即在栅极周边增设了加强环，采用双壁柱状C/C复合材料安装环，如图2。推进器用热处理方法来调节屏栅极和加速栅极的曲率半径。栅极组件进行了力学振动各种试验，与离子推进器一起进行了1 028 h的抗疲劳试验和2 000 h考核试验，通过各种试验后栅极组件未发生故障。

图2 CBIO C/C复合材料栅极组件Fig. 2 CBIO C/C composite grid component

在CBIO计划的基础上，JPL给20 kWNEXIS DM离子推进器样机研制了57 cm大直径C/C复合材料栅极[2]。该栅极组件在结构设计和制造上继承了30 cm的C/C复合材料栅极组件的技术。推进器经过2 000 h抗疲劳考核试验后，栅极组件完好，而且推进器也获得了良好性能。

日本早在20世纪90年代研制了14 cm的C/C复合材料栅极[3]，并在14 cm氙离子推进器上进行了3 184 h的抗疲劳考核试验；在μ10、μ20微波离子推进器上研制了推进器三栅C/C复合材料栅极[5]，其中μ10微波离子推进器在地面通过了18 000 h寿命考核试验；2003年发射的“隼鸟号”（Hayabusa）探测器采用了μ10微波离子推进器作为星际航行的主推进，完成任务后已于2010年6月13日成功返回地面。德国对热解石墨、高密度石墨和C/C复合材料也开展了专项研究，定量分析离子对栅极材料的溅射作用，并建立了氙离子溅射C材料的数值模型[6]。

2 C/C复合材料栅极的特性分析

离子推进器的作用是引出和加速离子，产生推力。离子推进器的特点是屏栅极和加速栅极间距小（＜1 mm）、壁很薄（≤0.5mm）、透明度高（＞60%）。在离子加速时栅极易遭受离子溅射轰击，电离和加速过程中会产生大量热量，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，影响离子推进器的性能。针对这些特点和问题，要求栅极材料具有耐高温、热膨胀系数小、离子溅射率低、密度小和强度高等特性。与目前离子推进器常用的纯钼等金属栅极相比，C/C复合材料就具有热膨胀系数小、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。

2.1 耐溅射性

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，呈正六边形排列。离子对加速栅极的溅射刻蚀会使小孔直径扩大，不能有效地阻止电子返流，从而导致离子推进器工作故障，降低离子推进器寿命。

离子对C/C复合材料的溅射率比金属钼小得多，最新研究数据表明：离子对碳纤维和热解石墨的溅射率大致相同，多晶石墨的溅射率比碳纤维和热解石墨的大约高40%[1]。表1是几种材料对氙离子的溅射特性[6-8]。

表1 几种材料对氙离子的溅射特性Table 1 Xe+ sputter characteristics of grid materials

一般来说，热解石墨C和C/C复合纤维材料的溅射率基本相同。由表1可知，C和C/C复合材料的耐溅射性最好。

2.2 热应力

在推进器工作过程中，栅极的温度分布沿径向呈正态分布，在热应力作用下，会产生热膨胀。由于栅极径向温度分布差异较大，对平板栅极来说，径向膨胀超过其周向膨胀，内部应力加强，抑制径向应力扩展，致使平板栅极几何变形，常使其中央增高，形成拱形。要减小形变，就要减小栅极的径向膨胀，为此要选择热膨胀系数非常小和性能稳定的材料。最理想的情况是热膨胀系数接近0，但是没有任何一种金属其热膨胀系数为0。碳基材料（如热解石墨、C/C复合材料和多晶碳）的热膨胀系数很小，在微负和微正之间，能使栅极的径向热膨胀降到最低，使其形变减到最小，产生的热应力也很小，可提高栅极的可靠性。

2.3 材料坚固性

造成栅极组件损伤的因素很多，有制造、安装、发射振动和电弧等，以及由于弹性变形而造成栅极断裂的损伤，这都与材料的坚固性相关，选材时要关注强度和韧性。材料结构失效模式大致有3种。

1）高强度、低弹性模量材料耐冲击性差，容易破裂。而对于强度和弹性模量均较高的石英玻璃钢，在压力快速增加并冲击下也容易产生破碎。

2）低强度、低弹性模量材料，因应力超过极限而产生破碎失效。例如硅树脂橡胶的强度和弹性模量均很低，当其受冲击力时，会发生弹性变形，并将动力能转化为张力能；由于低弹性模量延迟张力的累积作用，当材料继续发生强形变直到张力超过极限时，就会产生破碎。在正常条件下，张力能能够恢复为动力能，使弹性变形后的材料恢复到原来的状态，这是材料的高韧性特性。

3）高弹性模量材料的形变能力强，在强度超过屈服应力时，虽然不破损，但也会由于形变过大而造成栅极组件短路失效。当材料受冲击时，高弹性模量迅速提高材料内部应力水平，在发生塑性变形开始前，材料储存的张力能小，由于延展性的作用，冷加工件材料的动能会转化为热能，尽管几何形状发生变化，但材料仍不会破坏；当加工冲击的强度超过极限应力时，方会产生破损。

对于栅极组件来说，当超过材料的屈服应力时，即使不发生破裂，也会产生失效。材料失效可用失效点张力方程来预测，

式中：εmax为最大张力能；V为每单位体积；σf为失效强度；E为弹性模量。

材料的最大张力能越大，就越能抵抗损伤。表2给出了几种材料的最大张力能[1]，强度定义为最大屈服强度。

表2 几种材料的最大张力能等参数Table 2 Maximum strain energy and other properties of some materials

由表2可知，除金属Ti外，C/C复合材料具有较大的最大张力能，但C/C复合材料存在层流分离的危险。

2.4 静电吸附性

屏栅极和加速栅极间存在电场，使双栅间形成静电力作用，静电力f可用下式来估算[1]，

式中：U为双栅间的电压；ε为介电常数，为8.842×10-12C2·N-1·m-2；d为双栅间距。

假设平板栅极为均匀圆盘，其半径为r，厚度为t，则其表面静电力偏移量（吸引变形量）δ可用下式来估算：

式中μ为泊松比。

由式(2)和(3)可知，双栅间的静电力吸引变形量不但与双栅间距、栅极半径、栅极厚度和栅间电压有关外，还与材料的弹性模量和泊松比相关。

3 C/C复合材料栅极的加工制造

作为离子推进器栅极组件的材料，C基材料与金属材料相比具有防溅射、热膨胀很小和小孔排列稳定等优点，缺点是机械强度较低，抗振性差。由表2可知，C/C复合材料的强度比热解石墨大得多，可见C/C复合材料是制作离子推进器栅极组件的较理想材料。下面简单介绍C/C复合材料栅极的制造。

推进器将选用的P30X单纤维[6]在石碳酸中进行碳化碾压复合，复合后的材料经高温处理后弹性模量达到690 GPa。环形安装盒与安装面采用T300碳纤维制作。C/C复合材料栅极的制造过程如下：

1）订购材料坯料，选用酚醛树脂。

2）制作石墨沉积模具。该模具用于控制碳-酚碾压形状，以确定栅极形状。NEXIS模具由一个凹面和多槽凸面压模构成，来保证内外面光滑与球面半径，图3是NEXIS离子推进器C/C复合材料栅极的凹面和凸面成型模具。

图3 NEXIS凹面和凸面模具Fig. 3 The concave and convex NEXIS moulds

3）进行碳-酚碾压复合。单向纤维预浸坯料交替叠放在模具中，与模具紧密结合，进行多次碾压成型，保证层与层之间结合紧密。

4）碳化处理。将碾压纤维板放入石碳酸中，在无氧环境中退火以降低纯碳。这个过程降低了碾压纤维板的强度和质量，需要进行致密化处理以增加密度，提高结构完整性。

5）CVD致密化或渗透处理。通过CVD工艺增加碾压纤维板的碳含量，以增强C/C纤维碾压板的密度和强度。

6）高温石墨化处理（仅对栅极适用）。这种工艺有助于增加材料弹性模量和硬度，增强抗发射振动的能力，控制球面曲率半径。

7）加工前需确认栅极孔的中心数据和排列，以保证激光钻孔的正确性，控制孔的位置，保证孔中心线与栅极球面顶的中心线同轴。

8）用粘接剂将屏栅极连接到安装环上，再经CVD工艺沉积致密化处理。

9）在钻孔和连接后，因栅极表面的平整性和光洁性可能遭受破坏，需最后进行CVD致密化或渗透处理，以保证栅极的平整和光洁。

10）为了释放C/C材料的碳氢化合物和其他挥发成分，将离子推进器的栅极组件在高温、低压环境中工作几h进行烘干。

11）用坐标测量仪对最终产品进行检验。

12）进行栅极组件组装，调整双栅间距，再进行最终产品检查。

4 结束语

C/C复合材料栅极因其有很小的热膨胀系数和较低的离子溅射系数，是用来制造长寿命、高可靠离子推进器栅极的理想材料，近年来在美国和日本等国的离子推进器中被广泛应用。根据离子推进器栅极的特点，要求材料厚度非常薄（小于0.5 mm）、光洁度非常高、导电性能好、机械强度高。然而目前国内研制生产的C/C复合材料的厚度都在2 mm以上，如果要研制厚度在1 mm以下的C/C复合材料，需要研究特殊的加工工艺，而且还要研究密集钻孔方法。通过工艺改进，虽然国内可以生产1 2 mm之间的C/C复合材料板，但是对离子推进器性能还有一定的影响。为此，建议在离子推进器金属钼栅极的技术条件下，研制C/C复合材料栅极，在保证一定机械强度的前提下，C/C复合材料板尽量减薄。栅极孔采用激光打孔工艺，屏栅极可以与钼屏栅极互换。还可以采用钼栅极作为屏栅极，C/C复合材料栅极作为加速栅极，这样也可以延长离子推进器寿命。

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[1] Haag T. Mechanical design of carbon ion optics, AIAA 2005-4408 [R]

[2] Beatty J S, Snyder J S. Manufacturing of 57cm carbon-carbon composite ion optics for a 20 kW-class ion engine, AIAA 2005-4411[R]

[3] Hayakawa Y, Kitamura S, Miyazaki K. Endurance test of C/C grids for 14 cm xenon ion thrusters, AIAA 2002-3958[R]

[4] Snyder J S, Brophy J R, Anderson J R. Results of a 1000-hour wear test of 30 cm carbon-carbon ion optics, AIAA 2005-4394[R]

[5] Kuninaka H, Nishiyama K. Development of 20 cm diameter microwave discharge ion engine “μ20”, AIAA2003-5011[R]

[6] Tartz M, Manova D, Neumann H, et al. Sputter investigation of ion thrusters grid materials, AIAA2005-4414[R]

[7] Kolasinski R D, Polk J E, Goebel D, et al. Carbon sputtering yield measurements at grazing incidence, AIAA 2006-4337[R]

[8] Zoerb K A, Williams J D, Williams D D, et al. Differential sputtering yields of metals by xenon, krypton, and argon ion bombardment at normal and oblique incidences, IEPC-2005-293[R]