电化学储能材料与技术研究进展

电化学储能材料与技术是解决清洁能源利用、转换和储存的关键。本文阐述了近年来电化学储能材料与技术研究进展,包括超级电容器、锂离子电池及锂硫电池等;重点介绍了南京航空航天大学江苏省能量转换材料与技术重点实验室在这方面取得的科研成果;同时分析了目前各种电化学储能材料与技术存在的主要问题;最后展望了电化学储能材料与技术的发展趋势和应用前景。     

“实践9号”卫星电推进首次在轨试验验证

"实践9号"A/B新技术试验卫星于2012年10月14日在太原卫星发射中心成功发射,经过3年多的在轨考核和试验验证,圆满完成了卫星使命,其中离子和霍尔电推进在轨首次试验验证,进行了性能标定,分别进行了200余次的点火试验,各项指标满足要求。为我国的电推进技术的在轨应用奠定了基础。     

62Sn36Pb2Ag 焊料和63Sn37Pb 焊料在硅光电池电极焊接中的对比

分别使用62Sn36Pb2Ag焊料和63Sn37Pb共晶焊料焊接模拟式太阳敏感器硅光电池电极,通过力学试验和加速热循环试验,对比分析了两种焊料形成的焊点性能和显微组织结构。研究表明,由于Ag元素的加入,与63Sn37Pb焊料相比,62Sn36Pb2Ag焊料焊点显微组织内部颗粒状的Ag3Sn有效起到了位错钉扎的作用,在强化焊点的同时,也提高了焊点抗热失配能力和抗蠕变性能。在经历力学试验和-105~+105℃循环试验后,62Sn36Pb2Ag焊点裂纹扩展率远低于63Sn37Pb焊点。在给定的试验条件和温度循环范围内,62Sn36Pb2Ag焊料的抗热失配能力和高温抗蠕变性能较63Sn37Pb焊料表现更加优异。     

航空轴承表面合成DLC薄膜的结构特征和滚动-接触疲劳物理模型

利用等离子体浸没离子注入与沉积（PIIID）复合强化技术,在AISI440C航空轴承钢表面合成了类金刚石碳（DLC）薄膜。Raman光谱分析揭示出所制备的DLC膜层主要是由金刚石键（sp³）和石墨键（sp²）组成的混合无定形碳膜,且sp³键含量大于10%。原子力显微镜（AFM）形貌表明,DLC膜层表面光滑,结构致密均匀,与基体结合良好。被处理薄膜试样在90%置信区间下的疲劳寿命L₁₀,L₅₀,特征疲劳寿命L_a和平均寿命较基体分别延长了10.1,4.2,3.5和3.6倍。ANSYS模拟结果显示,最大剪切应力出现在膜基结合处并且靠近膜层内部,最大值达到2 150 MPa。结合ANSYS模拟结果和扫描电镜（SEM）观察形貌分析发现,膜层内部存在的微观缺陷是滚动接触疲劳裂纹产生的诱因,循环载荷所形成的最大剪切应力和润滑油中污染颗粒的共同作用是疲劳磨坑最终形成的外在动力。建立了循环载荷条件下PIIID DLC/AISI440C轴承接触疲劳破坏的5阶段物理模型。     

航空蓄电池能量均衡技术研究

航空电池组中单体电池之间会逐渐出现不一致性,会降低电池组性能和使用寿命,甚至引发安全事故。本文提出了一种基于主动均衡的航空蓄电池组能量均衡系统结构,提出了一种能量集中式双向传递的Cúk型均衡电路,设计了顶部均衡和底部均衡的均衡控制策略。开发了航空镍镉蓄电池能量均衡系统,进行了镍镉电池组能量均衡实验分析,实验结果表明新型能量均衡器具有均衡速度快、均衡电池单体可任意选择、能量双向传递的优点,通过电池组能量均衡控制能明显改善电池组内单体之间的不一致性,提高电池组容量利用率和使用寿命。     

基于加速栅溅射腐蚀失效的离子推力器寿命预测

离子推力器加速栅溅射腐蚀失效是制约离子推力器寿命的关键失效模式之一.针对离子推力器长寿命、多功率条件下运行的特点,基于坑和凹槽的溅射腐蚀数据,建立模型对其进行寿命预测.通过研究离子推力器加速栅中心凹槽腐蚀深度在不同功率段下随工作时间的变化规律发现:运行功率顺序对加速栅凹槽腐蚀率影响较小,进而采用累积损伤理论建立离子推力器多功率段下运行的寿命预测模型.最后, 对美国的NASA's Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)进行了寿命预测,预测结果寿命为46041h,与试验结果符合较好.      

氙离子推力器束流双荷离子特性及诊断

为了对离子推力器束流中双荷离子比例进行快速评估,采用放电室经验理论模型通过实验参数获得放电室等离子体参数,根据单、双荷氙离子的不同产生过程,计算得到束流中双/单荷离子密度比.针对兰州空间技术物理研究所20cm氙离子推力器进行了实验,使用E×B探针束流诊断系统获取了束流中双/单荷离子的平均比率.结果表明:在额定工况下理论计算值为0.071与测试结果为0.077符合良好.      

不同环境温度对30cm离子推力器三栅极组件的离子刻蚀速率影响分析

为了对不同环境温度造成的30cm离子推力器三栅极组件离子刻蚀速率的影响进行分析,采用有限元仿真与试验验证相结合的方法,计算并试验验证了不同环境温度下的三栅极组件热平衡温度以及栅极间的相对位移变化,采用流体方法模拟了不同环境温度(20℃,-70℃,-120℃和-170℃)对三栅极组件的刻蚀影响,并结合短期寿命试验结果进行验证。结果显示:随着环境温度的降低,屏栅达到温度平衡的时间无变化,而加速栅温度平衡所需的时间则明显延长,20℃下的屏栅和加速栅热仿真结果与室温下推力器热平衡试验结果比对误差分别为7%和5%;其次环境温度的降低,会导致屏栅与加速栅的中心间距和边缘间距均缩小,而加速栅和减速栅的边缘间距却逐渐拉大,仿真结果与栅极热间距摄像测量结果符合性较好;根据三栅极组件的栅孔径扩大率随环境温度变化的计算结果来看,加速栅中心和减速栅边缘是离子刻蚀的主要位置,轰击至加速栅中心区域的离子数速率约是边缘的3倍,而轰击至减速栅边缘区域的离子数速率是中心的2.5倍,且环境温度的降低对加速栅中心区域离子刻蚀的影响更为强烈;经2100h的寿命试验验证,仿真结果与试验结果基本符合,误差经分析认为主要来自于流体方法的参数设置过程以及栅孔壁面均匀刻蚀的计算假设。     

燃料电池无人机动力系统方案设计与试验

针对燃料电池为主能源的无人机（UAV）动力系统,设计了纯燃料电池动力系统、燃料电池/蓄电池（简称燃蓄）被/主动混合动力系统3种拓扑结构方案。以空冷质子交换膜燃料电池为例,搭建了燃料电池动力系统方案一体化试验平台。考虑阶梯型和阶跃型2种加载形式,试验研究了燃料电池自身的动态特性和启动特性。以阶梯型功率剖面的加载形式,试验研究了纯燃料电池动力系统放电特性;以无人机典型任务剖面作为加载形式,开展燃蓄被/主动混合动力系统对比试验研究。试验结果表明：纯燃料电池动力方案适用于低机动小型无人机,燃蓄被动混合方案可满足小型无人机大机动飞行,燃蓄主动混合方案系统可适应中大型无人机更长航时飞行。     

电动车辆用Ni-MH电池智能化放电控制

Ni—MH电池是电动车辆的动力源,对电动车辆的性能有重要作用。以Ni—MH电池在电动车辆中的应用为例,论述了电动车辆用Ni-MH电池放电控制过程的基本原理,阐述了Ni—MH电池智能控制系统监测与控制的总体结构和功能流程。根据智能控制原理和专家经验,探讨了以Ni—MH电池能量合理使用放电控制算法,给出了电动车辆用大功率Ni—MH电池的放电特性曲线及放电电压、电流、电池温度等对其蓉量的影响结果。试验结果表明,该系统可使Ni—MH电池能量利用率增加20％以上,自适应能力较强,运行可靠,电池寿命也有显著延长。