[发明专利]一种基于PZT下的动态型同位素电池及其制备方法

权利要求书

1.一种基于PZT下的动态型同位素电池，其特征在于：其包括热源结构、换能结构、散热器（21）和惰性气体管道（22）；热源结构包括热源腔体（1）和热源装置，热源腔体（1）包括热源腔体外壳（2），热源腔体外壳（2）内表面设有热反射层（3），热源腔体外壳（2）两端渐变收缩并装配气动单向阀（11），热源装置包括设有夹层的导热筒（6），导热筒（6）夹层内装放射源（7），导热筒（6）内、外壁均设有防辐射层（5），热源装置被封装于热源装置外壳（4）内，热源装置外壳（4）外表面均匀设有三个固定支架（8），热源装置利用螺丝（9）通过固定支架（8）固定于热源腔体外壳（2）上，热源装置中间设有通孔（10）；换能结构包括活动式尖端喷嘴（12）、圆柱状腔体（13）和PZT换能组件，圆柱状腔体（13）包括耐高温筒体（14），PZT换能组件包括悬臂梁支架（16）和固定于悬臂梁支架（16）上的PZT元件（17），悬臂梁支架（16）固定于耐高温筒体（14）内，PZT换能组件电学输出电极（15）通过导线（18）与电池正极（19）、电池负极（20）连接，圆柱状腔体（13）顶部的气流入口端装配活动式尖端喷嘴（12）；热源腔体（1）的气流出口端与圆柱状腔体（13）的气流入口端通过惰性气体管道（22）封接，圆柱状腔体（13）的气流出口端与热源腔体（1）的气流入口端通过惰性气体管道（22）封接，并充入惰性气体（24），惰性气体（24）在热源腔体（1）、圆柱状腔体（13）和惰性气体管道（22）内形成气流循环；散热器（21）固定于圆柱状腔体（13）气流出口端和热源腔体（1）气流入口端之间的惰性气体管道壁（23）外表面。

2.如权利要求1所述的一种基于PZT下的动态型同位素电池，其特征在于：悬臂梁支架（16）固定于耐高温筒体（14）内壁，悬臂梁支架（16）设有十六个垂直耐高温筒体（14）的悬臂梁，悬臂梁支架（16）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的悬臂梁顺时针方向相错夹角为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（17）。

3.如权利要求2所述的一种基于PZT下的动态型同位素电池，其特征在于：PZT元件（17）包括自下而上依次设置的第一绝缘衬底（25）、金属层（26）、第二绝缘衬底（27）和陶瓷层（28），金属层（26）的一端和陶瓷层（28）的一端分别设有PZT元件电学输出电极（29）。

4.如权利要求3所述的一种基于PZT下的动态型同位素电池，其特征在于：第一绝缘衬底（25）和第二绝缘衬底（27）的材质相同，是SiO₂、硅胶或环氧树脂；金属层（26）是Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti薄膜；陶瓷层（28）的材质是PbZrTiO₃，PZT元件电学输出电极（29）材质是金属Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti。

5.如权利要求1至4任意一项所述的一种基于PZT下的动态型同位素电池，其特征在于：热源腔体外壳（2）、热源装置外壳（4）、固定支架（8）、螺丝（9）、耐高温筒体（14）、悬臂梁支架（16）和惰性气体管道壁（23）的材质相同，是316不锈钢、304不锈钢或310不锈钢；热反射层（3）的材质是Al₂O₃；活动式尖端喷嘴（12）是槽缝式吹风喷嘴或CC/C扇形喷嘴；电池正极（19）和电池负极（20）材质相同，是金属Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti；散热器（21）是石墨散热器或超导热管；惰性气体（24）是Ar或Ne。

6.如权利要求5所述的一种基于PZT下的动态型同位素电池，其特征在于：防辐射层（5）的材质是钽合金或者铅薄膜或者有机玻璃和铁复合材料或者树脂和纳米铅复合材料或者树脂和纳米硫酸铅复合材料；导热筒（6）的材质是BN；放射源（7）是α放射源：Am-241、Po-210、Pu-238或Pu-238氧化物，或者是β放射源：H-3、Ni-63、Pm-147、Sr-90、Sm-151或C-14。

7.一种基于PZT下的动态型同位素电池的制备方法，其特征在于：包括制备热源结构，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（2）；

b、在热源腔体外壳（2）内表面涂刷或溅射热反射层材料制备热反射层（3）；

c、用耐高温不锈钢锻造固定支架（8），将固定支架（8）焊接于热源装置外壳（4）外表面；

d、用螺丝（9）通过固定支架（8）将热源装置固定于热源腔体外壳（2）上；

e、在热源腔体外壳（2）两端装配气动单向阀（11）；

2）制备换能结构

a、制作第一绝缘衬底（25），在第一绝缘衬底（25）上表面采用溅射方法、蒸发方法或电镀方法制备金属薄膜作为金属层（26）；

b、制作第二绝缘衬底（27），在第二绝缘衬底上表面采用溶胶凝胶法合成陶瓷层（28）；

c、用粘结剂将第二绝缘衬底（27）下表面与金属层（26）上表面粘结，并分别在金属层（26）的一端和陶瓷层（28）的一端采用溅射、蒸发或电镀方法制备PZT元件电学输出电极（29），通过光刻定义电极图形，采用腐蚀或剥离方法实现金属图形化；

d、用耐高温不锈钢制作设计形状的悬臂梁支架（16），用粘结剂将制作好的PZT元件（17）按长度大小依次粘结固定于相应悬臂梁上表面，用导线（18）将PZT元件（17）以串联方式连接，制成PZT换能组件电学输出电极（15），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（14），将PZT换能组件焊接于耐高温筒体（14）内壁，用导线（18）将PZT换能组件电学输出电极（15）与电池正极（19）、电池负极（20）连接；

f、分别在耐高温筒体（14）顶部和底部焊接耐高温不锈钢板，制成圆柱状腔体（13），在圆柱状腔体（13）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（13）的气流入口端和气流出口端，并在圆柱状腔体（13）的气流入口端装配活动式尖端喷嘴（12）；

3）组装电池结构

a、将热源腔体（1）的气流出口端与圆柱状腔体（13）的气流入口端通过惰性气体管道（22）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（13）的气流出口端与热源腔体（1）的气流入口端通过惰性气体管道（22）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（24）；

c、在圆柱状腔体（13）气流出口端与热源腔体（1）气流入口端之间的惰性气体管道壁（23）外表面固定安装散热器（21）。