一种基于pzt下的动态型同位素电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于同位素电池领域，具体涉及一种基于PZT下的动态型同位素电池；本发明还涉及一种基于PZT下的动态型同位素电池的制备方法。
【背景技术】
[0002]原子核成分(或能态)自发地发生变化，同时放射出射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素电池，简称同位素电池，正是直接利用放射性同位素衰变释放出射线所具有的电能或是利用换能器件将放射性同位素衰变释放出射线的能量转换成电能，并将电能输出，从而达到供电目的。由于同位素电池具有服役寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护、小型化等优点，目前已在军事国防、航天航海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域被广泛应用。
[0003]同位素电池首先由英国物理学家Henry Mosley于1913年提出，而有关同位素电池的研究主要集中在过去的50年里，其大致可分为四类:①静态辐射热转换方式同位素电池的研究；②动态热电转换机制(动态型)同位素电池的研究；③辐射伏特效应同位素电池的研究；④其他辐射效应转换机制同位素电池的研究。上述四类同位素电池的研究结果表明，能量转换效率低仍是目前同位素电池的共性所在。静态辐射热转换方式同位素电池的发展主要得益于国家层面的研究开发，特别是温差式热电转换机制同位素电池的设计与制造目前在美国已日趋完善，但目前静态辐射热转换方式同位素电池的热电转换效率仍较低，仅为4%?8%，导致其使用区域大幅减小、民用化过程较为困难。辐射伏特效应同位素电池以半导体材料为换能单元，可实现同位素电池器件小型化，扩大了同位素电池的应用范围，且随着材料科学的飞速发展取得了一定的研究成效，但辐射伏特效应同位素电池存在长期辐照下半导体材料性能退化的问题，降低了辐射伏特效应同位素电池的使用寿命。与静态辐射热转换方式同位素电池和辐射伏特效应同位素电池相比，动态型同位素电池具有较高的能量转换效率，使其成为目前同位素电池的重要研究方向，但传统动态型同位素电池存在高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性等技术瓶颈。本发明提出的一种基于PZT下的动态型同位素电池可突破传统动态型同位素电池存在的上述技术瓶颈，同时有效提升动态型同位素电池的能量转换效率。
【发明内容】
[0004]为了克服传统动态型同位素电池存在的高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性等问题，本发明的第一目的在于提供一种能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性强的基于PZT下的动态型同位素电池。本发明的另一目的在于提供一种基于PZT下的动态型同位素电池的制备方法。
[0005]实现本发明第一目的所提出的一种基于PZT下的动态型同位素电池:包括热源结构、换能结构、散热器和惰性气体管道；热源结构包括热源腔体和热源装置，热源腔体包括热源腔体外壳，热源腔体外壳内表面设有热反射层，热源腔体外壳两端渐变收缩并装配气动单向阀，热源装置包括设有夹层的导热筒，导热筒夹层内装放射源，导热筒内、外壁均设有防辐射层，热源装置被封装于热源装置外壳内，热源装置外壳外表面均匀设有三个固定支架，热源装置利用螺丝通过固定支架固定于热源腔体外壳上，热源装置中间设有通孔；换能结构包括活动式尖端喷嘴、圆柱状腔体和PZT换能组件，圆柱状腔体包括耐高温筒体，PZT换能组件包括悬臂梁支架和固定于悬臂梁支架上的PZT元件，悬臂梁支架固定于耐高温筒体内，PZT换能组件电学输出电极通过导线与电池正极、电池负极连接，圆柱状腔体顶部的气流入口端装配活动式尖端喷嘴；热源腔体的气流出口端与圆柱状腔体的气流入口端通过惰性气体管道封接，圆柱状腔体的气流出口端与热源腔体的气流入口端通过惰性气体管道封接，并充入惰性气体，惰性气体在热源腔体、圆柱状腔体和惰性气体管道内形成气流循环；散热器固定安装于圆柱状腔体气流出口端和热源腔体气流入口端之间的惰性气体管道壁外表面。
[0006]PZT元件包括第一绝缘衬底、金属层、第二绝缘衬底和陶瓷层，金属层的一端和陶瓷层的一端分别设有PZT元件电学输出电极；悬臂梁支架固定于耐高温筒体内壁，悬臂梁支架设有十六个垂直耐高温筒体的悬臂梁，悬臂梁支架自上而下设有四个悬臂梁层，每个悬臂梁层均匀设有四个长度相同的悬臂梁，自上而下悬臂梁层内的悬臂梁长度依次减小，且相邻两个悬臂梁层内悬臂梁顺时针方向的相错夹角为22.5° ;每个悬臂梁上表面均固定设有与悬臂梁长度相当的PZT元件。
[0007]根据实际工作环境的要求，可增加固定支架的数量；根据实际应用时输出电压电流的需求，可调整放射源的剂量大小，可增减悬臂梁支架所含悬臂梁层的数目及每个悬臂梁层内所含悬臂梁的数目，可根据悬臂梁层的数目调整相邻两个悬臂梁层内悬臂梁顺时针方向的相错夹角，相邻两个悬臂梁层内悬臂梁顺时针方向的相错夹角为90°除以悬臂梁层的数目，可选择串联、并联或串并联结合的方式将PZT元件用导线连接，以满足具体参数要求。
[0008]热源腔体外壳、热源装置外壳、固定支架、螺丝、耐高温筒体、悬臂梁支架和惰性气体管道壁的材质相同，可以是316不锈钢、304不锈钢或310不锈钢；热反射层的材质可以是八1203;防辐射层的材质可以是钽合金、铅薄膜、有机玻璃和铁复合材料、树脂和纳米铅复合材料或树脂和纳米硫酸铅复合材料；导热筒的材质可以是BN;放射源可以是α放射源:Am-241、Po-210、Pu-238 或 Pu-238 氧化物，也可以是 β 放射源:H-3、N1-63、Pm-147、Sr_90、Sm-151或C-14 ;气动单向阀可采用JKT_420Mpa气动单向阀；活动式尖端喷嘴可采用槽缝式吹风喷嘴或CC/C扇形喷嘴；导线可采用GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线；电池正极、电池负极和PZT元件电学输出电极材质相同，可以是金属六11、？(1、？141、(:11、附或11 ;散热器可以为石墨散热器或超导热管；惰性气体可以是Ar或Ne ;第一绝缘衬底和第二绝缘衬底的材质相同，可以是Si02、娃胶或环氧树脂；金属层可以是Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti薄膜；陶瓷层的材质可以是PbZrTi03。
[0009]实现本发明另一目的所提出的一种基于PZT下的动态型同位素电池的制备方法，包括制备源结构、制备换能结构和组装电池结构；具体步骤如下:
(1)制备热源结构
a、加热淬火耐高温不锈钢制作成设计形状的热源腔体外壳；
b、在热源腔体外壳内表面涂刷热反射层材料制备热反射层； C、用耐高温不锈钢锻造固定支架，将固定支架焊接于热源装置外壳外表面；
d、用螺丝通过固定支架将热源装置固定于热源腔体外壳上；
e、在热源腔体外壳两端装配气动单向阀。
[0010](2)制备换能结构
a、制作第一绝缘衬底，在第一绝缘衬底上表面采用溅射方法制备金属薄膜作为金属层；
b、制作第二绝缘衬底，在第二绝缘衬底上表面采用溶胶凝胶法制作PZT作为陶瓷层；
c、用粘结剂将第二绝缘衬底下表面与金属层上表面粘结，并分别在金属层一端和陶瓷层的一端光刻派射金属材料制备PZT元件电学输出电极；
d、用耐高温不锈钢制作设计形状的悬臂梁支架，用粘结剂将制作好的PZT元件按长度大小依次粘结固定于相应悬臂梁上表面，用导线将PZT元件以串联方式连接，制成PZT换能组件电学输出电极，形成PZT换能组件；
e、加热淬火耐高温不锈钢制作成设计形状的耐高温筒体，将PZT换能组件焊接于耐高温筒体内壁，用导线将PZT换能组件电学输出电极与电池正极、电池负极连接；
f、分别在耐高温筒体顶部和底部焊接耐高温不锈钢板，制成圆柱状腔体，在圆柱状腔体顶部和底部的耐高温不锈钢板中心处打孔，作为圆柱状腔体的气流入口端和气流出口端，并在圆柱状腔体的气流入口端装配活动式尖端喷嘴。
[0011](3)组装电池结构
a、将热源腔体的气流出口端与圆柱状腔体的气流入口端通过惰性气体管道对接，对接时，以橡胶垫圈为垫片，采用外加固定结构进行装配；
b、将圆柱状腔体的气流出口端与热源腔体的气流入口端通过惰性气体管道对接，对接时，以橡胶垫圈为垫片，采用外加固定结构进行装配，并充入惰性气体；
c、在圆柱状腔体气流出口端与热源腔体气流入口端之间的