环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮技术

本发明专利技术提供环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮，其中制作方法包括以下步骤：提供基体；将所述基体置于真空环境；向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；驱动所述基体旋转并达到预定转速；传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；所述基体的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。该环形单晶无机非金属部件具备高硬度、高导热性以及低热膨胀系数等性能，可以作为飞轮使用于飞轮储能器，从而使得高储能密度的飞轮制作成为可能。

Manufacturing method, equipment and flywheel of ring single crystal inorganic nonmetallic parts

The invention provides a manufacturing method, a device and a flywheel of an annular single crystal inorganic non-metallic component, wherein the manufacturing method comprises the following steps: providing a substrate, placing the substrate in a vacuum environment, introducing a raw material gas into the vacuum environment to form a raw material gas environment, driving the substrate to rotate and reach a predetermined speed, transmitting microwave to the raw material gas environment, and stimulating the raw material gas environment by microwave The raw material gas in the raw material gas environment forms a plasma, and the outer circumference surface of the substrate receives the deposited plasma to form an annular single crystal inorganic non-metallic component. The ring single crystal inorganic non-metallic component has the properties of high hardness, high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient. It can be used as flywheel in flywheel energy storage device, which makes it possible to make flywheel with high energy storage density.

【技术实现步骤摘要】
环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮
本专利技术涉及制造
，特别涉及环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮。
技术介绍
随着科学技术的发展，能耗产品的使用越来越普及，储能装置的需求也越来越多。飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出的过程。理论上，飞轮储能系统的功率密度很高，可以实现无限次的大功率充放电，且对环境无污染。但现有技术的飞轮储能的储能密度较低，这是因为飞轮储能系统的储能密度，一方面取决于飞轮的转速，另一方面取决于转子的质量。但是，由于受材料的限制，飞轮的转速过高时，飞轮很容易损坏甚至爆炸，目前碳纤维复合材料作为飞轮的优选材料，其具有较高的抗拉强度，但是，在飞轮旋转速度达到一定值时依旧存在爆炸的可能和危险。而众所周知，金刚石及同类无机单晶非金属材料，硬度及强度大，且其具有良好的导热性以及极低的热膨胀系数等。因此，利用此类无机单晶非金属材料制造飞轮，能够突破目前飞轮储能技术发展材料受限的难点。但是如何使用单晶无机非金属材料制造飞轮依然存在难以克服的技术难点。现有技术中，无机单晶非金属部件的制作方法包括直接法、熔煤法和外延法等，但这些方法合成的无机单晶非金属部件都无法用来制作飞轮。例如采用直接法合成金刚石时，合成的金刚石为多晶粉末，采用熔煤法制造出的金刚石为磨料级金刚石，而采用外延法制造的金刚石为颗粒状或者平板状。因此，现有方法均无法制作飞轮储能器中所需的圆环状飞轮。因此，如何制作一种适用于飞轮储能器的飞轮的环形单晶无机非金属部件，以提升飞轮储能系统的储能密度是我们亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供环形单晶无机非金属部件的制作方法、设备及飞轮，以解决现有方法均无法使用单晶无机非金属材料制作飞轮储能器中所需的圆环状飞轮的技术问题。为了达到上述目的，本专利技术实施例提供的具体方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供了一种环形单晶无机非金属部件的制作部件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：提供基体；将所述基体置于真空环境；向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；驱动所述基体旋转并达到预定转速；传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；所述基体的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。可选的，所述真空环境的构建方法包括如下步骤：将密封空间抽真空后通入保护气体，控制保护气体的通入量，使所述密封空间的气压小于0.1千帕。可选的，所述基体经过预处理，所述预处理的方法包括：使用金刚石粉，研磨所述基体的外圆周面；使用去离子水和丙酮清洗所述基体的外圆周面；在所述基体的外圆周面上涂覆石墨。可选的，传输微波至所述原料气体环境的步骤之前，所述方法还包括：加热所述基体，使所述基体的温度达到400摄氏度至600摄氏度。可选的，所述预定转速为5转/分钟至1000转/分钟。可选的，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷；或者，所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气；或者，所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石；所述原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳。可选的，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷时，所述氢气的流量为200标准毫升/分钟至450标准毫升/分钟，所述甲烷的流量为10标准毫升/分钟至30标准毫升/分钟；向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，所述原料气体环境的气压大于6千帕；微波的传输频率为0.8吉赫兹至6吉赫兹，输出功率为0.6千瓦至30千瓦；所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气时；所述甲基三氯硅烷的流量为60标准毫升/分钟至100标准毫升/分钟，所述氢气的流量为600标准毫升/分钟至1000标准毫升/分钟；向所述原料气体环境通入原料气体的步骤之后，所述原料气体环境的气压小于10千帕；微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦；所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石；所述原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳时，所述三氯化铝的温度为100摄氏度至150摄氏度；所述二氧化碳的流量为15标准毫升/分钟至75标准毫升/分钟，所述氢气的流量为150标准毫升/分钟至250标准毫升/分钟；向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，所述原料气体环境的气压为0.55千帕至0.65千帕；微波的传输频率为5兆赫兹至20兆赫兹，输出功率为0.1千瓦至0.28千瓦。可选的，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷时，所述原料气体环境内所述甲烷的浓度为6％至20％；微波功率密度为0.1千瓦/立方厘米至0.2千瓦/立方厘米；所述原料气体环境的气体压力为20千帕至40千帕；所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气时；所述原料气体环境内所述甲基三氯硅烷的浓度控制在2％至5％；微波功率密度大于0.2千瓦/立方厘米。第二方面，本专利技术实施例提供了一种环形单晶无机非金属部件的制作设备，利用如上述第一方面中任一项所述的环形单晶无机非金属部件的制作方法制作环形单晶无机非金属部件，所述制作设备包括：所述制作设备包括：制备容器、基体和基体控制组件；所述制备容器包括微波室和等离子室，所述微波室与所述等离子室隔离，所述微波室内设置有微波发生器，所述等离子室设置有进气口和真空装置，所述真空装置用于将所述等离子室抽真空，并控制所述等离子室内的气压，从所述进气口进入所述等离子室中的原料气体能够在微波激励下形成等离子体；所述基体设置于所述等离子室内的等离子体分布区域，所述基体控制组件用于控制所述基体旋转，以使等离子体沉积于所述基体的外圆周面形成环形单晶无机非金属部件。第三方面，本专利技术实施例还提供一种飞轮，所述飞轮为利用如第一方面中任一项所述的环形单晶无机非金属部件的制作方法制作的环形单晶无机非金属部件。本专利技术实施例中，通过在真空环境中设置基体，并在该真空环境中通入原料气体构成原料气体环境，在微波的激励下形成等离子体，基体旋转时，基体的外圆周面上能够均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环形单晶无机非金属部件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：/n提供基体；/n将所述基体置于真空环境；/n向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；/n驱动所述基体旋转并达到预定转速；/n传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；/n所述基体的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。/n

【技术特征摘要】
1.一种环形单晶无机非金属部件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
提供基体；
将所述基体置于真空环境；
向所述真空环境通入原料气体构成原料气体环境；
驱动所述基体旋转并达到预定转速；
传输微波至所述原料气体环境，微波激励所述原料气体环境内的原料气体，形成等离子体；
所述基体的外圆周面上接收沉积的等离子体，形成环形单晶无机非金属部件。


2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述真空环境的构建方法包括如下步骤：
将密封空间抽真空后通入保护气体，控制保护气体的通入量，使所述密封空间的气压小于0.1千帕。


3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述基体经过预处理，所述预处理的方法包括：
使用金刚石粉，研磨所述基体的外圆周面；
使用去离子水和丙酮清洗所述基体的外圆周面；
在所述基体的外圆周面上涂覆石墨。


4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，传输微波至所述原料气体环境的步骤之前，所述方法还包括：
加热所述基体，使所述基体的温度达到400摄氏度至600摄氏度。


5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述预定转速为5转/分钟至1000转/分钟。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷；
或者，
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气；
或者，
所述环形单晶无机非金属部件为合成蓝宝石；所述原料气体包括三氯化铝、氢气和二氧化碳。


7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，
所述环形单晶无机非金属部件为合成金刚石；所述原料气体包括氢气和甲烷时，
所述氢气的流量为200标准毫升/分钟至450标准毫升/分钟，所述甲烷的流量为10标准毫升/分钟至30标准毫升/分钟；
向所述真空环境通入原料气体的步骤之后，
所述原料气体环境的气压大于6千帕；
微波的传输频率为0.8吉赫兹至6吉赫兹，输出功率为0.6千瓦至30千瓦；
所述环形单晶无机非金属部件为合成莫桑石；所述原料气体包括甲基三氯硅烷和氢气时；
所述甲基三氯硅烷的流量为60标准毫升...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳普，
申请(专利权)人：至玥腾风科技投资集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11