摘要
离子液体电喷雾推力器是目前热点研究的一种静电式微电推进装置，影响该类推力器性能的核心部件之一是发射极，其制造技术已成为离子液体电喷雾推力器研制的关键技术之一。结合离子液体电喷雾推力器工作原理和发展历程，分析了毛细管型、外部浸润型和多孔材料型三类发射极的推进剂输运特点和制造需求；回顾和梳理了三类发射极的典型制造材料与相关制造技术，总结评述了离子刻蚀等不同制造技术的优缺点；针对较为成功的基于多孔材料的超快激光制造技术，从发射极设计、新型材料制备、超快激光与材料作用机理等角度提出了发展建议。
Abstract
ILET(ionic liquid electrospray thruster), one of the electrostatic micro-thrusters, has recently become a hot topic for researchers. The emitter is the core component that significantly affects the thruster performance, so its manufacturing is considered as one of the key technologies for the ILET development. Combined with the operating principle and the development history of ILET, the characteristics of propellant transport and manufacturing requirements for all three types of emitters, namely capillary, externally-fed and porous emitters, were analyzed. Based on this, the typical manufacturing materials and related manufacturing technologies were reviewed, while the advantages and disadvantages of different manufacturing technologies such as ion etching were summarized and remarked. For the proven manufacturing method of ultrafast laser ablation based on porous material, the development suggestions including emitter design, novel material fabrication, and study on laser-matter interaction mechanism were given.
Keywords
随着电子、通信以及微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）技术的进步，通过采用标准模块化、功能软件化等设计思想，研究者不断提高卫星的功能密度，减轻整星质量。其中，质量在1~100 kg的卫星称为微纳卫星[1]。由于具有研制周期短、可大规模制造、成本低的显著优势，微纳卫星已经在空间通信、遥感和空间科学实验等领域得到应用。随着人工智能技术的发展，微纳卫星通过构建集群编队或星座进行网络化自主运行，在实现传统大卫星功能的同时，还能够提升系统的弹性。因此，微纳卫星已成为当今航天器研制的一种新趋势，受到了世界各国航天界的普遍重视。仅2021年一年，发射的微纳卫星就有300颗，占当年航天器发射总数量的16.46%[2]。
尽管如此，受微纳卫星平台体积和质量约束，仅有不足5%的微纳卫星拥有推进系统。推进系统是实现卫星大气阻力补偿、轨道机动、卫星编队及星座内星间相对位置保持和分布式轨道维护的关键[3]。微纳卫星平台体积小、质量轻，携带推进剂有限，因此与之匹配的推进系统应具有结构紧凑、低功耗和高效率的特点。
目前，研究人员已经提出了多种可用于微纳卫星平台的推进系统方案[4-8]。其中，电喷雾推进在经历了曲折的发展历程后，从20世纪90年代开始，在微推进、新材料、离子液体、高性能电源等技术进步的推动下，取得了巨大进展，目前已达到空间应用水平[9]。离子液体电喷雾推力器（ionic liquid electrospray thruster，ILET）的工质采用离子液体，其具有高电导率、极低饱和蒸汽压、在真空环境易于存储等特点。相对其他小型化电推进系统，ILET具有以下优势：
1）结构紧凑。离子液体可通过毛细作用实现供给，大幅简化推力器供给系统；由于采用纯静电方式加速，工作时不用附加复杂电磁场。
2）无需中和器。离子液体由阴阳离子组成，通过施加不同极性的工作电压能够分别提取阴、阳离子，可以实现电荷自中和。
3）比冲高。纯离子模式下比冲可达到1 000~8 000 s，且比冲和推力可通过调节工作电压灵活控制。
4）效率高。离子液体由自由态的阴阳离子构成，无须消耗额外功率用于气体推进剂的电离。
5）易模块化。ILET可以在保持高比冲和高效率的情况下，通过增加单位面积上的发射体数量放大推力，从而提高推力密度。
上述特点与微纳卫星平台的需求极为契合。目前该型推力器已完成在轨飞行验证，取得的相关研究成果充分展示了其在微纳卫星上的应用优势。
ILET中，对推力器性能具有决定性影响的核心部件为发射极[10-11]，目前针对其的研究多集中于此。因此，本文从离子液体电喷雾的工作原理出发，综述了ILET三种典型发射极的制造技术研究现状并分析了优缺点。同时，着重对热点研究的多孔材料型发射极的制造关键技术进行了详细梳理和分析，并对其发展方向进行了展望，以期为ILET技术发展提供有益借鉴。
1 离子液体电喷雾推力器工作原理
本质上，离子液体电喷雾推力器是一种以离子液体为推进剂、从液体中抽取带电粒子并加速的静电式电推力器，由发射极、提取极和贮箱等组成，其中发射极包含多个发射体构成的阵列，其主要结构与工作原理如图1所示。贮箱中的离子液体推进剂以一定方式输运到各个发射体尖端，在强静电场作用下，沿电场方向伸长并形成被称为“泰勒锥”的稳定锥形结构[12]。当泰勒锥表面的电场强度超过某一阈值时，带电粒子（成分可能包含离子、离子和带电液滴、带电液滴）从泰勒锥中被抽取出来，随后在静电场的作用下从提取极的微孔中加速喷出，从而获得推力。根据束流中带电粒子的组分，可以将推力器的工作模式分为液滴模式、液滴-离子混合模式、纯离子模式，如图2所示。
图1ILET主要结构与工作原理
Fig.1Main components and operating principle of ILET
图2电喷雾推力器发射模式
Fig.2Emission mode of electrospray thruster
早期的电喷雾推力器采用电解质溶液作为工质。Delamora等基于大量对比实验数据和电流体动力学理论[13]，建立了液滴模式下的发射电流与电解质溶液物性及供给流量间的对应关系模型。随后，Gamero-Castaño首次在实验中发现液滴-离子混合模式[14]，并证实了提高电解质溶液的电导率和降低供给流量有利于离子引出。受电解质溶液电导率较低的限制，随着供给流量的继续减小，束流中的离子电流比例增加到一定程度后，带电粒子无法稳定引出。
在此基础上，2003年Romero-Sanz将工质种类转向电导率更高的离子液体[15]，通过调节供给流量，首次实现了液滴-离子混合模式向纯离子模式的转变。然而，由于毛细管发射体的流动通道尺寸较大、流动阻抗较小，难以进一步减小推进剂流量，因此只有少数高电导率的离子液体如1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate，EMI-BF4）才能实现稳定的纯离子引出模式[16]。Lozano对工作在三种模式下的推力器性能进行了理论对比分析，结果表明在相同工作参数下，工作在纯离子模式的推力器比冲更大、效率也更高[17]。此后，研制能够稳定工作在纯离子模式的离子液体电喷雾推力器成为重要的研究方向。
从其工作原理可见，发射极是离子液体电喷雾推力器的核心关键部件，其主要作用是为离子液体从推进剂贮箱输运至发射体尖端提供通道，并增强其尖端的电场强度，同时为泰勒锥的形成提供锚点。根据推进剂输运到发射体尖端的方式不同，发射体可以分为毛细管型、外部浸润型和多孔材料型，如图3所示。毛细管型发射体由单一的内部毛细流动通道实现离子液体输运，流动阻抗较小，难以实现被动供给和纯离子发射模式；外部浸润型发射体由发射体表面上的半开放性微流动通道输运液体，流动阻抗较大，易于实现纯离子发射模式，但发射电流较小；多孔材料型发射体由其内部相互贯通的毛细通道实现液体输运，易于实现稳定的被动供给，能够实现纯离子发射，并且发射电流高于外部浸润型发射体。
图3三种典型发射体
Fig.3Three typical types of emitter
就发射极制造需求而言，一方面，提高发射体的流动阻抗，不仅有利于实现高比冲的纯离子发射模式，还能抑制推进剂溢出，避免提取极短路问题；另一方面，一般单个发射体所产生的推力仅数十nN量级，无法满足微纳卫星实际任务需求，需要提高发射极上多个发射体的阵列密度。
因此，后文述及各类型发射极的制造技术中，均是在保证制造精度的前提下，将提高发射体的流动阻抗、阵列密度和一致性作为目标。
2 发射极制造技术现状
2.1 毛细管型发射极制造技术
毛细管型发射体构型是ILET最早采用的发射极形式。离子液体通过发射体内部的毛细管道向发射体尖端供应。发射体尖端尺寸对于其尖端电场强度具有重要影响，因此制造时需减小其尖端尺寸；此外，由于毛细管内部流动阻抗较小，为实现纯离子发射模式，必须通过提高毛细管的长径比等方式提升流动阻抗。因此，毛细管型发射极制造研究主要围绕在保证毛细管制造精度前提下如何提升毛细管流动阻抗。
2.1.1 硅基材料离子刻蚀技术
发射极精密制造的需求，与半导体工业中芯片加工的技术要求类似。因此2004年，英国南安普顿大学的Paine等首先探索了基于硅衬底材料的毛细管型发射极离子刻蚀加工技术，为该型发射极的研制开启了大门[18]。这一方法随后逐渐由瑞士洛桑联邦理工学院的研究者发展[19-23]，形成了包括毛细管通道的深反应离子刻蚀（deep reactive ion etching，DRIE）、毛细管通道上游推进剂蓄液池刻蚀、发射体外形刻蚀加工的典型制造方法，如图4所示。
2009年，Krpoun等实现了19个阵列式毛细管型发射极的加工[19-20]。毛细管间距为250 μm，高度为70 μm，通道直径为24 μm，如图5所示。为了调整毛细管通道内的流动阻抗，Krpoun将标称5 μm（平均半径为4.74 μm）的石英微球填充至毛细管通道中，通过硅烷化处理固定并形成多孔微通道，采用EMI-BF4实现了纯离子发射。然而，这一类微球填充式的毛细管由于受微球直径尺寸分布和填充工艺的影响，各发射体内部产生的多孔通道结构存在较大的差异性，孔隙率介于0.25~0.65，流动阻抗的变化范围接近1 000%[22]，需要主动调节毛细管上游供给压力才能实现各发射体稳定发射。
在Hagen-Poiseuille流动假设下，毛细管的流动阻抗与其通道内径的四次方成反比、长度成正比。通过减小毛细管内径，可以实现与添加微球颗粒同等的流动阻抗提升效果。Ryan通过计算发现[24]，所需毛细管通道长度约100 μm，直径约5 μm。由于大长径比给毛细管刻蚀加工带来了挑战，Dandavino实际实现的毛细通道长度约100 μm、内径约8 μm[25]，毛细管阵列密度为213个/cm2。但其加工精度较差，从扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）照片（见图6）中可以看到，毛细管出口处存在缺陷。此外，由于长径比不足导致通道内流动阻抗不足，需要采用电导率更高（1.85 S/m）和表面张力更大（41.9 mN/m）的离子液体EMI-SCN实现纯离子发射[26]。
为了进一步提升电喷雾推力器的推力密度、降低离子提取电压，日本横滨国立大学学者基于双栅Spindt型场致发射阴极制造方法[27-28]，结合等离子体刻蚀工艺，探索了高阵列密度的纳米毛细管型发射极与提取极一体化集成加工工艺，其制造方法如图7所示。
采用该方法，横滨国立大学的研究人员在300 μm区域内实现了5 μm间距的纳米毛细管阵列发射极加工，毛细管出口直径约100 nm，底部入口直径约700 nm，如图8所示。针对1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐离子液体的发射特性测试结果表明，离子发射启动电压约为60 V，当工作电压为75 V时，相应的发射电流密度约为43 mA/cm2，其发射特性远高于目前传统ILET的水平。然而，该种发射极的致命缺陷在于受Ni锥和SiN层及回刻蚀工艺精度的影响，各发射体形状偏差较大，毛细管出口直径尺寸的标准偏差约为25%，这势必会导致离子发射时严重的不均匀性。此外，发射极与提取极间距较小，尽管极大地减小了启动工作电压，但增加了因离子液体溢出带来的短路失效风险。
2.1.2 光致结构聚合物材料光刻技术
因与现有光刻技术的兼容性，光致结构聚合物成为发射体制造技术的另一种材料选择。按照制造技术的维度，可分为二维平面光刻技术和三维微光刻技术。
（1）二维平面光刻技术
二维平面光刻技术源自现有较为成熟的半导体加工领域，采用SU-8光刻胶等易产生光化学反应的物质作为基础材料，通过曝光、显影等步骤实现发射体的精密制造（如图9所示），并且可以通过适当的多层堆叠，实现提取极支撑结构等零件的一体化加工[29]。
（2）三维微光刻技术
三维微光刻技术又称微立体光刻技术、双光子光刻技术，是阵列式毛细管型发射极加工的一种新尝试[30-31]，其工作原理如图10所示。尽管单个近红外光子的能量无法在光刻胶中触发光化学反应，但激光经显微光学镜组聚焦后，在焦点周围的小体积元中可达到极高强度以致发生双光子过程，而两个光子结合起来的能量足以触发光化学反应。作用体积元的纵向尺寸仅约2 μm，横向尺寸则小于激光波长（约500 nm），因此通过激光焦点在光刻胶内进行三维扫描，能够创建高精度的三维结构。
基于微光刻技术，德国吉森大学开展了毛细管型发射体加工[31]，通过对比分析不同孔径发射体的发射特性实验测量结果，总结得出毛细管的直径应在10 μm左右，高度不小于30 μm。研究者采用商用设备实现了直径10 μm、高度为50 μm的发射体阵列加工，如图11所示。相对于硅基材料的离子刻蚀加工，三维微光刻技术极大地提高了毛细管构型的设计和加工的灵活性，能够实现通道壁面微结构定制化加工，改善其润湿性。但是该种方法的加工效率低，并且难以实现大幅面的高精度发射体阵列加工。
总体而言，目前的制造技术能够按照毛细管型发射体阻抗需求，实现阵列式发射极加工。但其不足之处在于：第一，现有各种毛细管型发射体制造技术仍然不同程度地存在阻抗不足、加工效率较低等缺陷；第二，由于毛细管型发射体只具有单一的流动通道，存在堵塞失效的风险；第三，受毛细管通道的润湿性影响，推进剂从贮箱至发射体尖端输运的过程中无法全程依靠毛细作用实现被动供给，因此需要增加与之相适应的推进剂贮供系统，增加了系统的复杂度。
2.2 外部浸润型发射极制造技术
对于采用外部浸润型发射极的ILET，离子液体直接覆盖在发射体的外表面，基于液体表面张力实现被动供给。其输运性能高度依赖于发射体外表面的微观形貌，并对发射特性具有重要影响。因此，该类型发射极制造必须充分考虑其表面微通道的结构特性和连续性，以保证离子液体向发射体尖端的稳定输运。同时，对于高密度发射体阵列，还要确保各发射体的制造的一致性。
2.2.1 离子刻蚀及表面改进技术
目前对于外部浸润型发射极，主要的制造手段是采用离子刻蚀技术，在硅材料上进行发射体阵列加工，其工艺流程与毛细管型刻蚀技术近似。但由于硅表面对离子液体的润湿性较差，为了实现推进剂向发射体尖端的稳定供给，发射体加工完成后还需进行表面粗糙化处理，以改善离子液体的输运特性[32]。
美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）研究了火山式、铅笔式和刃口式外部浸润型发射体阵列制造技术[33-35]，采用基于离子刻蚀方法的黑硅表面处理工艺，在发射体表面形成纵横交替的纳米微通道结构，并探索优化了黑硅工艺参数和反应时间，将发射体与EMI-BF4的接触角由未处理的原始硅的27°减小到0.5°，极大地增加了发射体的润湿性。图12展示了两种MIT制造的发射体阵列。
采用类似的刻蚀制造方法，日本横滨国立大学进行了锥形阵列式发射体的制造加工，通过优化刻蚀步骤，将各向同性蚀刻工艺分为两步，最终获得了较为均匀一致的发射体尖端曲率半径。图13展示了该研究团队制造的发射体阵列照片[36]。
离子刻蚀方法产生的黑硅薄层特性难以通过工艺参数进行调控，导致其作为芯吸层厚度有限，限制了发射体推进剂输运能力。作为另一种方案，Hill等采用等离子体增强化学气相沉积方法[37]，通过在硅发射体表面生长碳纳米管（carbon nanotube，CNT）产生多孔微通道（如图14所示），提升了发射体表面推进剂的输运能力。通过优选CNT直径和调控生长密度，能够实现CNT层的孔隙率调控，进而实现流动阻抗调节；产生的CNT芯吸层厚度远大于黑硅工艺获得的层厚，有利于提升推进剂的供给流量；同时，该方法为保形生长，并不破坏发射体原有构型。不足之处是采用该方法生长的CNT附着性较差，在电场力的作用下容易发生脱落。研究人员在离子发射特性实验后的提取极表面和离子束流接收板上均观测到了脱落的碳纳米管，并且伴有明显的CNT刻蚀痕迹。在实际的推力器应用中，随着推力器工作时间的增加，将面临提取极侵蚀以及发射体供给特性降级等问题，对推力器性能和寿命将产生较大的负面影响。
MIT的研究人员基于3D灰度光刻方法（3D grayscale photolithography），探索了实心锥形硅基发射体阵列的加工技术[38]，如图15所示。采用该方法可以获得较高的发射体阵列密度和加工一致性。但是，采用该方法加工的发射体表面具有台阶状的表面微观结构。若采用传统的等离子体反应刻蚀黑硅方法，难以对发射体表面实现一致且各向均匀的表面处理，并且推进剂在向尖端输运过程中容易驻留在台阶相接处，影响推进剂供给的连续性。为解决该表面后处理问题，Siegel探索了金属辅助化学刻蚀的黑硅工艺[39]，得到的阵列式发射极如图16所示。其通过控制刻蚀时间、溶剂浓度、纳米颗粒催化剂沉积，在发射体表面实现了具有较好空间均匀性的纹理结构，并验证了其润湿性。但是在实际离子发射特性实验中，发现离子发射过程并不稳定，出现了发射电流急剧衰减的情况，初步分析有可能是发射体的流动阻抗过大，导致离子液体供给不稳定。
2.2.2 增材制造技术
MIT的Máximo对阵列式锥形发射体的增材制造技术进行了研究[40]，采用黏合剂喷射成型技术和光固化技术，分别实现了316L不锈钢和FunToDo工业混合树脂（FunToDo industrial blend resin，FTD-IB）材料的发射极阵列制造。发射体表面采用水热法将氧化锌纳米线（zinc oxide nanowire，ZnONW）生长在其表面形成绒状线丛，产生具有亚微米量级的多孔通道芯吸层，为推进剂输运提供流动通道。所制造的发射体如图17所示，316L材料和工业混合树脂材料均可明显观察到发射体表面的绒状线丛。发射体阵列采用EMI-BF4实现了纯离子发射。
受3D打印技术加工原理以及相应设备精度制约，不锈钢发射体加工完成后需进行电化学抛光，去除表面杂质并进行尖端锐化。此外，3D打印无法实现大幅面的高精度加工，导致发射体尖端尺寸偏大，因此推力器正常工作所需的电压过高。
综上所述，外部浸润型发射体阵列的制造工艺相对成熟，并且通过多种表面后处理方法，在其表面形成具有半开放性特征的推进剂输运芯吸层，从而实现推进剂的被动供给，同时可以消除毛细管型发射体的堵塞问题。但其不足之处在于：首先，芯吸层的输运特性不仅与表面后处理工艺紧密相关，而且受发射体的几何外形和表面微结构影响，仍需进一步优化；其次，与毛细管型发射体一样，基于该型发射极的电喷雾装置作为实际推力器使用，还面临着推进剂从推进剂贮箱向发射体底部均匀供给的难题。
2.3 多孔材料型发射极制造技术
多孔材料型发射体在其内部具有相互贯通的毛细微通道，能够避免毛细管型发射体存在的流动通道易堵塞问题；同时相对于外部浸润型发射体，其可以提供较大的供给流量以获得较大发射电流，是目前最具实际应用前景的发射极，也是ILET的热点研究方向。然而，发射体尖端形貌影响该处局部电场分布和强度，进而影响发射起始电压和泰勒锥锚点位置。因此，多孔材料型发射体要求具有较高的加工精度，同时为保证发射均匀，各发射体要具有较高的一致性。但是，由于多孔材料结构的特殊性，高精度、高阵列密度发射极制造技术尚未成熟。MIT对该型发射极进行了系统性研究，在阵列式发射极制造方面做了许多开创性研究。
2.3.1 多孔金属发射极制造技术
（1）电化学刻蚀
2007年，Legge等采用电化学刻蚀方法[41]，在多孔钨片（孔径为0.5~2 μm，孔隙率为0.30）上实现了一维片状发射体阵列加工，发射体尖端半径10~30 μm。采用EMI-BF4作为推进剂实现了被动供给模式下的纯离子发射，发射电流可达到数十μA，每一发射体1~1.5 μA[42]（如图18所示）。但尝试增加发射体阵列密度时，加工的一致性和均匀性难以保持，各发射体的加工差异变得显著。Legge的尝试及相关研究成果促进了后续对多孔材料发射极制造方法的探索。
一维片状发射极在进行推力器集成时，发射极单元间的支撑和装卡结构限制了发射体阵列密度的进一步提升。这一现实问题促使研究者继续探索适合于实现高发射体阵列密度的二维阵列式发射极制造方法。Courtney等对Legge的化学刻蚀方案进行了改进[43]，采用干式掩模技术，在孔径0.5 μm的多孔钨板上实现了二维发射体阵列加工。其发射体尖端半径约15 μm，高度150~200 μm，纯离子发射模式下的单个发射体发射电流在数百nA到1 μA间。电化学刻蚀多孔钨时，所使用的碱性电解液与掩模材料存在相容性问题，导致可选择的高分辨率干式抗蚀剂种类有限，因此多孔钨发射极中各发射体的加工精度和一致性不高。
相较而言，与酸性电解液相容的高精度抗蚀剂可选择的种类更多。为进一步提高发射体的电化学刻蚀加工精度，Courtney将多孔钨材料更换为可在酸性电解液中刻蚀的多孔镍[44-45]，在孔径5 μm的多孔镍板上实现了480个间距为450 μm的二维发射体阵列加工（见图19）。发射体高度为150~170 μm，发射体尖端半径为5~20 μm。
尽管如此，受湿式加工方法自身机理制约，发射体加工分辨率为10 μm量级，缺乏良好的一致性和空间均匀性，并且加工重复性较差。
（2）电火花加工
上海交通大学康小明课题组针对多孔金属楔形发射极开展了加工工艺研究[46-47]。制造时先采用电火花线切割的方法进行阵列式发射体构型初加工；由于电火花线切割过程产生的熔融物易堵塞发射体表面的孔道，因此需采用电化学抛光方法对其进行后处理。与电化学刻蚀加工类似，电化学抛光过程存在潜在的加工一致性和可重复性问题。
2.3.2 烧结式非金属发射极制造技术
多孔金属材料涉及电化学刻蚀或电化学抛光等湿法制造技术，发射体阵列的总体制造效果受到一定制约，因此研究者开始转而考虑其他类型的多孔材料。
Coffman等通过分析多孔材料发射体中离子液体的阻抗和发射电流[48]，发现由离子液体所引起的电势差为mV量级，因此发射极基材的导电性并不是必需的。这一认识为选择与高精度干式加工方法相容的多孔材料提供了理论依据，使得多孔材料的选项拓展到陶瓷、玻璃等非导电材料范围。
（1）超快激光加工
陶瓷或玻璃材料的微观结构极适合干式的激光加工。超快激光具有脉冲能量低和脉冲宽度窄的特点，与材料相互作用的时间尺度远小于材料的热扩散速度。根据材料性质，调制激光能量密度和脉冲频率等参量能够实现无热影响的“冷加工”效果；通过对激光焦点扫描间距和扫描时间等工艺参量进行优化设计，能够实现与等离子体刻蚀加工精度相当的3D微结构。
Coffman等针对粉末烧结的多孔硼硅酸盐玻璃（孔径1~2 μm），采用纳秒激光在其上实现了480个发射体的二维阵列加工，如图20所示[48]。发射体间距为0.45 mm，高度为150~250 μm，尖端曲率半径约30 μm，采用EMI-BF4测试的总离子发射电流约150 μA，推力约12.5 μN。
上海交通大学的陆子杰等[49]通过对比分析不同扫描方法和加工余量对微锥阵列几何特性的影响，优化了加工工艺，使得微锥顶部的平均尺寸能够减小到20 μm，成功制备了微锥密度为2 174个/cm2的大面积发射极微锥阵列，如图21所示。此外，将微锥加工技术应用于发射极的一体化加工，制备了6个相同的发射极。将这些发射极集成到电喷雾推力器中，在3.0 kV的工作电压下，单个发射极产生的推力约为90 μN。
北京理工大学的Chen等采用飞秒激光，针对商用的粉末烧结式多孔硼硅酸盐玻璃（Duran Por 5，孔径1~1.6 μm），开展了楔形和四棱锥形发射体加工工艺研究[50]。共聚焦显微检测结果显示，在发射体尖端存在凹痕，如图22所示。加拿大皇家军事学院的Little等也采用飞秒激光加工方法，在Por 5玻璃上实现了条状发射体加工[51]，但在扫描电镜检测照片中可以观测到絮状熔融物沉积。
激光烧蚀过程产生的絮状沉积物会改变发射体表面微观形貌，引起非理想的发射点，造成提取极侵蚀；同时，容易造成推进剂的局部聚积，产生更严重的短路问题。为消除此类影响，需清除包裹在发射体表面的碎屑和絮状气化沉积物，常采用超声清洗和酸浸方法对激光后的发射体进行后处理。Kristinsson实验对比了两种方法的作用效果[52]，超声清洗能够有效去除发射体间的碎屑沉积（如图23所示），而酸浸方法对于去除絮状沉积物更为有效，但酸浸处理时间和溶液浓度等对发射体表面形貌具有重要影响。
（2）机械加工
超快激光加工对制造设备有较高要求。鉴于机械加工方法对设备要求低、设备容易获得，Courtney等基于数控机械铣削研究了发射极制造方法[53-54]，其加工流程如图24所示。为了提高推力密度和加工效率，发射体采用楔形构型，通过设计专用的切削刀具，在Por 5玻璃上实现了一维阵列式发射极加工，验证了传统机械切削方法的可行性。
随后，英国南安普顿大学、美国空军实验室基于Por 5多孔玻璃开展了锥形阵列式发射极机械制造研究[55-57]，如图25所示。然而，受加工刀具尺寸制约，难以实现与MIT激光加工相当的发射体阵列密度。国内方面，北京理工大学开展了锥形阵列式发射极机械制造研究[58]；西北工业大学陈茂林团队围绕多孔氧化铝陶瓷材料和Por 5多孔玻璃，亦开展了楔形发射体加工和相应的推力器集成测试研究[59-60]。
由于粉末烧结型多孔材料自身特性，颗粒间结合强度低，表现出硬脆和松散易碎的组织结构特性，在超快激光加工和机械切削加工中均出现发射体尖端烧结颗粒的整体剥落，导致发射体结构及尖端形貌一致性差，影响其发射性能。
从推进性能的角度而言，粉末烧结式多孔材料由于孔隙分布不均，各个发射体发射的离子束流存在较大的差异。Guerra-Garcia等对超快激光加工的粉末烧结型多孔玻璃发射极开展了束流特性实验测量研究[61]，发现各发射体的发射启动电压存在差异，并且束电流具有非均匀分布的特性。Chen等与Courtney等在机械切削的条状楔形发射极上也观测到了启动电压差异和离子电流密度的非均匀分布现象[62-63]。推力器处于额定工作电压时，启动电压低的发射体发射电流必然大于平均值，并有可能在发射体尖端附近产生二次发射点，引起束流偏离理想状态从而造成过喷雾，进而引发寿命问题[64]。
因此，从可加工性和发射性能角度看，基于粉末烧结的多孔材料并不是发射极理想基材。
2.3.3 新型多孔材料探索
提升多孔材料的可加工性和孔隙的均匀性是提升多孔材料发射极品质的有效方法，因此研究者们进一步探索了新型的发射体基体材料，包括碳干凝胶（carbon xerogel）、热分相式多孔玻璃等。
针对碳气凝胶（carbon aerogel）、商用玻璃Varapo100、粉末烧结的硼硅酸盐玻璃和熔融石英四种多孔材料，Kristinsson详细研究了激光烧蚀制造中激光能量、焦点直径、激光加工路径等15个激光和加工工艺参数以及材料种类、孔径的材料参数对发射极加工质量的影响[52]。通过不同材料对比，发现相对于玻璃基材料，碳气凝胶加工后在发射体表面未观测到明显的碎屑和絮状沉积物。
国内方面，国防科技大学与华中科技大学联合开展了多孔材料制备工艺和发射极超快激光加工研究[67]。基于热分相多孔材料制备工艺，实现了孔径尺寸可调制的一体化骨架多孔硼硅酸盐玻璃制备；并采用皮秒脉宽激光实现了优于±5 μm精度的平顶锥形发射体加工（如图27所示）。制造的发射体高度200 μm，间距0.45 mm。与常用的Por 5玻璃相比，新材料展现了良好的可加工特性。
3 结论
各类发射极制造技术的对比见表1。综合看来，发射极的构型以及基础材料均制约着制造技术。同时，制造技术、发射极构型和基础材料三者共同影响发射极工作特性和推力器推进性能。相对于毛细管型和外部浸润型发射极，多孔材料型发射极由于更易于实现推进剂从贮箱到发射极的被动供给，整个推进系统更容易实现紧凑的设计，因此ILET工程化研究多围绕多孔材料型发射极展开。目前，超快激光加工已证实能够获得超过亚微米加工精度的微结构，在多孔玻璃等非金属发射极的制造加工方面展现了巨大优势。尽管如此，现有的多孔材料型发射极制造技术仍存在相应的问题亟待解决。
表1各种发射极制造技术对比
Tab.1 Comparison of various emitter manufacturing technologies
1）推力器推力密度受限于发射体的阵列密度，还有较大提升空间。目前已达到的推力密度与栅极离子型推力器相比小一个数量级。尽管在理论上可以通过提高发射体阵列密度相应地提高推力密度，但目前实际的发射体阵列密度典型值为480个/cm2。这主要是由于现阶段对多孔材料型发射体几何构型、材料孔径等参数对离子提取和加速的影响机制还不够清晰，因此需增大提取极的孔径来降低因加工缺陷和材料孔径分布不均等导致的非理想发射造成的束流拦截，致使发射体阵列密度无法达到或接近超快激光技术的理论加工极限。
2）多孔材料型发射极加工精度和质量需要进一步提高，以保证发射极发射电流的均匀性。目前基于现有的制造技术与多孔材料，发射体尖端崩碎问题时有发生，发射体形貌精度、一致性等尚需进一步提高。此外还存在激光烧蚀加工过程产生的气化产物在发射体表面沉积附着的问题。
根据多孔材料离子液体电喷雾推力器发展情况与发射极制造现状，结合作者团队研究积累和思考，认为应从以下方面对多孔材料发射极制造技术展开更深入的研究：
1）基于多孔材料孔道参数的发射极设计理论。发射极的设计直接影响其后续的制造技术。现阶段，多孔材料型发射极设计的主要参考依据是推进剂供给的沿程流动阻抗，即通过多孔材料的宏观渗透系数和发射极几何结构参数计算其流动阻抗，确保其大于某一临界值以实现纯离子发射模式[68-69]。实际上，发射体尖端的几何构型和孔道参数对于离子液体局部供给状态和电场分布具有重要影响，是决定离子发射特性的关键因素。这一点在现有的发射极设计时并未给予充分考虑。此外，发射体的几何构型还影响激光加工轨迹规划和材料去除量等制造工艺参数，进而影响发射极的制造精度。因此，应进一步完善多孔材料型发射极设计理论，明确多孔材料参数对发射特性和推进性能的影响机制，为优化多孔材料孔道参数和材料制备提供指导。
2）新型多孔材料制备。多孔材料结构强度是决定超快激光加工精度的关键因素，而孔径分布均匀性、孔径尺寸则影响离子液体的输运和离子发射。因此，提升多孔材料型发射极加工精度的可行途径之一是探索孔径尺寸可定制的高强度多孔材料制备工艺，如热分相玻璃这类具有一体化网络结构的多孔材料。
3）完善超快激光与多孔材料作用机理。相较于密实材料，多孔材料由孔道边界构成的网络结构极为脆弱，在激光的作用下极易发生崩碎。因此，需开展超快激光作用于多孔材料的机理研究，明确激光参数、工艺参数、材料参数等对发射极制造精度的影响，同时探索抑制加工过程中气化产物沉积或后处理去除工艺。
4）此外，一体化网络结构多孔材料制备与粉末烧结型多孔材料不同，包含去相成孔过程，因此可根据去相成孔前后的材料性质差异，探索多孔材料制备与激光加工相融合的制造技术，如采用超快激光对去相成孔前的密实材料进行发射极预成型，再对预成型的发射极进行保形去相成孔，以消除激光加工过程对发射体表面孔道结构的不利影响。
