电喷推力器离子液发射多孔玻璃微锥阵列超快激光加工工艺研究

陆子杰

Lu Zijie

上海交通大学 机械工程

1.设计目的

离子液电喷雾推力器具有比冲高、质量小、束流自中和等突出优势，结构上易于小型化和模块化，在微纳卫星姿态控制、变轨机动等方面具有应用前景。多孔介质微锥阵列发射极是电喷雾推力器的核心部件之一，其加工质量会影响推进效率与寿命。采用耐电蚀的多孔玻璃作为发射极材料可提高发射极寿命，但存在高脆性难加工的问题。超快激光加工精度高、材料适应性强、热损伤弱，有望成为多孔玻璃微锥阵列发射极高性能制造的可行方法。

本项目旨在：

（1）探索脆性难加工多孔玻璃材料超快激光去除规律。

（2）开展三维多孔玻璃微结构超快激光加工工艺规划。

（3）实现多孔玻璃微锥阵列发射极的高精度、高一致性超快激光加工与评估。

2.基本原理及方法

研究采用的加工系统为皮秒激光振镜加工系统和飞秒激光显微聚焦加工系统。其中，振镜加工系统用于材料的高效加工，显微聚焦加工系统通过对激光紧聚焦可进行高分辨率的微细加工。所用的材料为G5 级多孔硼硅酸盐玻璃，其平均粒径约为 50 μm，平均孔径为 2~4 μm，孔隙率约 31%。首先研究了多孔玻璃的超快激光材料去除机制，并探索了多孔玻璃的超快激光去除规律。随后研究了多孔玻璃微锥阵列的超快激光加工工艺，获得了平均锥顶尺寸20 μm的大面积高锐度微锥阵列。最后，利用超快激光一体化加工了多孔玻璃发射极，并组装成离子液电喷雾推力器进行了性能测试。

3.主要设计过程或试验过程

本研究以G5 级粉末烧结多孔硼硅酸盐玻璃为材料，开展离子液电喷雾推力器发射极超快激光加工工艺研究，在振镜加工平台上实现了离子液电喷雾推力器发射极超快激光一体化加工，并通过了地面测试验证，为离子液电喷雾推力器关键部件的制造提供了可行的加工方法。本研究主要包含如下三方面：

1）确定多孔玻璃超快激光材料去除机制

首先通过脉冲叩击试验，发现多孔玻璃的激光去除范围明显大于光斑尺寸，且随叩击脉冲数增加不明显，与致密K9 玻璃在相同情况下出现孵化现象且材料去除极少的行为差异明显。进一步地，通过高速观测多孔玻璃超快激光去除过程并与致密K9 玻璃对比，证明了多孔玻璃在加工过程中存在超快激光诱导颗粒剥落的材料崩碎性去除行为。该独特的材料去除行为导致多孔玻璃的平均单脉冲去除体积为致密K9 玻璃的 23.5 倍，且激光加工表面明显比K9 玻璃粗糙。多孔玻璃材料去除率高的特点可用于大面积材料的高效去除。此外，通过紧聚焦的超快激光研究了光斑尺寸对崩碎范围的影响规律，发现紧聚焦、尺寸远小于多孔玻璃颗粒粒径的光斑可抑制崩碎现象，实现崩碎范围小于 5 μm的材料低损伤去除和几微米尺度的高分辨率加工。

2）获得多孔玻璃高效低热损伤加工窗口

分别探索单脉冲能量、扫描速度和光斑填充间距对多孔玻璃材料去除的影响规律，发现影响多孔玻璃热损伤的主要因素为光斑重叠率。在激光重频不变的情况下，通过改变扫描速度可控制光斑重叠率进而控制多孔玻璃热损伤程度。随着光斑间距逐渐增大至大于光斑直径，逐渐显著的激光诱导颗粒剥落去除行为使得加工表面的重熔颗粒和纤维从覆盖整个表面减少到几乎消失，可实现多孔玻璃的低热损伤加工和重熔层超快激光抛光去除。此外，光斑间距或单脉冲能量过大时，多孔玻璃单脉冲去除体积会出现饱和；在光斑间距和单脉冲能量适中时单脉冲去除体积与两者均近似呈线性关系。

3）掌握大面积高一致性多孔玻璃微锥阵列超快激光加工工艺，完成推力器组装测试验证

分析了扫描策略和加工余量对微锥阵列加工的影响规律，发现采用恒定进给方向的交错扫描策略时存在锥顶局部崩碎的现象，容易导致微锥偏心，因此最小加工余量约为 100 μm，对应的平均锥顶尺寸为 35.5 μm，锥高标准差为 43.1 μm。相比之下，由微锥边缘向中心进给的扫描策略可抑制锥顶的局部崩碎现象，提高微锥阵列的一致性。同时，相比于旋切扫描策略，由微锥边缘向中心进给的扫描策略虽然一致性稍差，但能获得尖端尺寸更小的微锥阵列。微锥阵列的尖端尺寸随加工余量减小而减小，但一致性随加工余量减小有所下降，在采用由微锥边缘向中心进给的扫描策略、加工余量 60 μm、能流密度从 8.75 J/ cm ² 以 4.375 J/ cm ² 的步长递增至 35 J/ cm ² ，每个能流密度下交错扫描 30 次的工艺参数下获得了平均尖端尺寸为 20 μm的多孔玻璃微锥阵列。基于该微锥阵列加工工艺，利用CCD相机原位观测辅助在超快激光加工平台上一体化制备了 6 个发射极。每个发射极有 1 836 个微锥，数量密度为 2 174 个/ cm ² ，此外还有台阶、深槽、大高径比孔等多个特征。将 6 个发射极与提取极、安装底座、液体分配盘、绝缘外壳等部件组装成离子液电喷雾推力器进行测试，该推力器的尺寸为 86 mm×86 mm×34.5 mm，质量约为 300 g。以 1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（EMI-BF ₄ ）为工质，测得起始工作电压约为 1.8 kV，在工作电压 3 kV时测得推力约为 90 μN。采用多孔玻璃微锥阵列发射极的推力器计划在 2023 年 9 月参与发射并进行在轨测试验证。

本课题在多孔玻璃大面积高锐度微锥阵列超快激光加工工艺以及离子液电喷雾推力器发射极超快激光一体化加工方面的研究取得了阶段性的成果，但在多孔玻璃与超快激光作用的详细过程分析、微锥阵列一致性和推力器全方面性能测试方面还有待进一步研究。

4.结论

本课题主要探究了离子液电喷雾推力器多孔玻璃微锥发射极的超快激光加工工艺，主要结论如下：

（1）粉末烧结制备的G5 级多孔玻璃在超快激光加工中存在显著的激光诱导颗粒剥落去除行为。该材料去除行为导致多孔玻璃平均单脉冲去除体积为致密K9 玻璃的 23.5 倍，并且材料去除表面具有更大的粗糙度。通过光斑紧聚焦至远小于颗粒粒径的方式可有效抑制崩碎现象，实现多孔玻璃的高分辨率加工。

（2）光斑间距略大于光斑直径时可实现多孔玻璃超快激光高效低热损伤加工。通过探究单脉冲能量、扫描速度和光斑填充间距对多孔玻璃的材料去除规律发现，在光斑间隔适中时，多孔玻璃单脉冲去除体积与扫描速度和光斑填充间距近似呈线性关系。单脉冲能量或光斑间隔过大时，单脉冲去除体积都会出现饱和。加工表面的微观形貌观测表明，当光斑间距大于光斑尺寸时可有效利用崩碎效应，减少重熔颗粒和纤维在加工表面的沉积，实现多孔玻璃的低热损伤加工，并可应用于加工表面的超快激光抛光。

（3）获得了加工大面积、高一致性、高锐度微锥阵列的超快激光加工工艺参数。基于多孔玻璃材料去除规律，比较了不同扫描策略和加工余量对微锥阵列几何特征的影响。采用由微锥边缘向中央进给的横纵交错扫描策略可有效抑制锥顶局部崩碎，提高锥顶的位置精度。微锥阵列的一致性随加工余量减小而逐渐下降，加工余量 60 μm时平均尖端尺寸为 20 μm。相比于旋切扫描方式，采用由微锥边缘向中央进给的横纵交错扫描方式虽然高度一致性稍差，但可获得尺寸更小的尖端，因此选择后者进行发射极微锥阵列的加工。利用该微锥加工工艺在超快激光振镜加工平台上一体化加工了 6 个发射极并组装成离子液电喷雾推力器，以EMIBF ₄ 为工质在 3 kV电压下获得了 90 μN的推力。

5.创新点

（1）阐明粉末烧结多孔玻璃的超快激光诱导颗粒剥落的材料去除行为。通过脉冲叩击、切凹槽和高速观测证明了多孔玻璃在超快激光加工时存在显著的激光诱导颗粒剥落行为，导致其单脉冲去除体积相比于致密玻璃有数量级上的差距，利用该特性可高效地去除大面积多孔玻璃材料。通过不同光斑尺寸下的切槽试验得到了光斑尺寸对多孔玻璃崩碎范围的影响规律，证明了远小于多孔玻璃颗粒粒径的紧聚焦光斑可在加工过程中抑制崩碎现象，实现高分辨率加工。

（2）首次采用超快激光加工粉末烧结多孔玻璃制备大面积、高密度、高锐度发射极微锥阵列，并一体化加工了多孔玻璃发射极。通过探索多孔玻璃大面积微锥阵列超快激光加工工艺，发现采用由微锥边缘向中心进给的横纵交错扫描策略、加工余量 60 μm时可获得平均尖端尺寸为 20 μm的高锐度微锥阵列。

6.设计图或作品实物图

玻璃毛坯如图 1 所示，多孔玻璃微锥阵列加工实物如图 2 所示。

高校指导教师：胡永祥；企业指导教师：朱康武 q23sTboRgHQS1sUeS3wWzHB0ufx+4wkns7sV5IviJhaZvQnJ9mcoWOxFY2OPez6e