干凝胶法制备惯性约束聚变靶用大直径空心玻璃微球

为实现惯性约束聚变靶用大直径空心玻璃微球的干凝胶法制备,从数值模拟和工艺实验2个方面研究了发泡剂种类及含量、炉内载气组分、压力和温度对大直径空心玻璃微球制备过程的影响。结果表明:采用碱金属的乙酸盐作为发泡剂可以显著提高干凝胶粒子的发泡效率,提高载气中的氦气含量和升高炉温可以提高干凝胶粒子在吸热阶段的升温速率、更为迅速有效地完成封装过程,从而有利于大直径空心玻璃微球的制备。虽然降低载气压力有利于显著增大空心玻璃微球的直径,但是空心玻璃微球的品质急剧下降。当载气中氦气的体积分数为50%～80%、载气压力为(0.75～1.0)×105Pa、炉温为1500～1700℃时,干凝胶粒子的成球率较高、大直径(700～1000μm)空心玻璃微球的球形度、同心度和表面光洁度较好。     

惯性约束聚变靶用空心玻璃微球的干凝胶法制备技术

干凝胶法是我国目前制备惯性约束聚变(ICF)靶用空心玻璃微球(HGM)的主要方法,其制备的HGM可在较宽的范围内满足ICF物理实验的要求。从干凝胶粒子/微球的溶胶-凝胶法制备技术和HGM的炉内成球原理出发,系统综述了近三十年来ICF靶用HGM干凝胶法制备技术研究的相关报道,分析总结了干凝胶法制备技术在HGM成分设计、元素掺杂、直径及球形度、壁厚及均匀性、耐压强度、渗透性能、表面粗糙度、性能一致性等方面的技术现状及难点,对干凝胶法制备HGM技术的瓶颈性问题及可能的解决方案进行了讨论。     

惯性约束聚变靶用空心玻璃微球纵横比的调控

为实现对惯性约束聚变(ICF)靶用空心玻璃微球(HGM)纵横比的调控,基于对干凝胶法制备HGM炉内成球过程的分析,建立了HGM纵横比的定量控制模型,实验研究了载气组分和压力对HGM直径和纵横比的影响。结果表明:通过调节载气中氩气分压可以控制熔融玻璃液泡的膨胀程度,从而定量控制最终HGM的直径和纵横比。但是,通过大幅度降低载气中的氩气分压来提高HGM半径和纵横比是不可行的。为提高载气的传热能力,确保HGM球形度、表面粗糙度和合格率满足ICF制靶的要求,必须在载气中添加一定分压的氦气。除部分极端工艺条件外,提出的HGM纵横比控制模型预测值与实验结果吻合良好。     

激光聚变靶用空心玻璃微球制备方法

高质量的空心玻璃微球一直是激光惯性约束聚变实验最广泛采用的靶丸之一,因商用空心玻璃微球的生产方法不能满足实验需要,陆续开发了新的制备方法,如液滴法、干凝胶法、溅射法和降解芯轴技术等.综述了几种方法的制备原理、成球过程、微球产品的特点、在惯性约束聚变实验制靶中的地位以及国内外发展现状等.液滴法制备的微球直径小、壁较薄,干凝胶法制备的微球直径稍大、壁较厚,溅射法主要用于制备阻气层,而降解芯轴技术则将空心玻璃微球产品直径和壁厚范围扩大,所制备的空心玻璃微球是所有制备方法中直径最大和性能最好的.     

干凝胶法制备空心玻璃微球炉内成球过程的数值模拟

基于对干凝胶粒子在干凝胶炉内吸热、封装、发泡、精炼和冷却过程的传热、传质和运动分析,建立了空心玻璃微球炉内成球过程的数学模型,并模拟了干凝胶粒子在炉内自由下落过程中温度、速度和直径的变化、粒子/微球与载气之间的温差及热传递系数在成球过程中的变化趋势.结果表明,在吸热封装阶段,干凝胶粒子表面升温速率非常高(1000～2000℃/s),能在很短时间(1s)和距离(4.5cm)内完成封装过程.提高载气的传热性能并不能显著增大液态玻璃微球的降温速率,提高制备炉冷却区的轴向温度梯度是增加其降温速率以提高空心玻璃微球几何对称性和表面粗糙度的关键.实验与模拟结果基本一致.     

液滴法制备空心玻璃微球中初始液滴的定量形成

通过对液滴法制备激光聚变靶丸空心玻璃微球（HGM）中液滴形成过程予以分析,导出了射流初始速率、液滴直径及目标HGM直径分别与进为压力、小孔板孔径、射流振荡频率、溶液浓度及密度等因素的定量表达式,并在进料压力为13．7、18．7、23．6、28．5、33．4、38．3、43．2kPa和溶液中玻璃形成物浓度为1％、2％、4％、6％、8％、12％、16％下,测量了孔直径分别为108μm、142μm和168μm的小孔板的流量及流动系数,给出了射流初始速率、液滴直径及目标HGM中玻璃形成物含量的定量控制条件,实验结果符合定量表达式。     

激光聚变靶用空心玻璃微球的成分设计

基于玻璃成分与性能之间的定量关系,以高强度、高化学稳定性、易熔和低粘度为目标,应用正交试验法对30种待选玻璃配方中Na2O、K2O、Al2O3、CaO的含量进行了优化,从中优选出了10种玻璃配方作为激光聚变实验靶用空心玻璃微球的候选配方.与国内外其它靶用空心微球玻璃的性能相比,候选配方的玻璃不仅化学稳定性和抗张强度有显著提高,而且各自的熔化温度、粘度等参数也满足空心玻璃微球炉内成球法的工艺要求.     

空心玻璃微球制备技术研究进展

空心玻璃微球（hollow glass microspheres,HGM）是一种新型填料,具有质量轻、强度高、流动性好,隔热、耐腐蚀等优点,在众多领域具有广阔应用前景。目前,已实现产业化的HGM制备技术主要有固相粉末法、液相雾化法和软化学法。本文综述这3种方法制备HGM的基本原理和应用进展,并讨论了各自优缺点,通过对比HGM的性能参数,对不同制备方法存在的问题进行了归纳总结,指出了软化学法制备HGM技术是未来的发展趋势。简要介绍了国内外HGM制备技术的研究现状和发展趋势。未来的研究重点将集中于低能耗、高产率、高强度HGM的制备技术。     

PS-PVA-CH塑料空心微球充D2

研究了激光惯性约束聚变靶用PS-PVA-CH三层塑料空心微球采用热扩散法高温高压充氘气技术。实验研究表明,对于直径300 μm、PS壁厚5～7 μm、PVA壁厚3～5 μm、CH层厚4～6 μm的塑料微球,50℃充气的平衡时间为20～40 h,70℃的平衡时间为7～12 h,90℃的平衡时间为2～4 h。在室温25℃时,微球的气体渗透系数为（3.0～4.2）×10^-19 mol·m^-1·s^-1·Pa^-1,对应的保气半寿命为28～37 h。对于参数接近的微球,如果充气时间相同,充气外压与微球内压基本呈正比。当外压达到6.0 MPa时微球开始出现破损。     

靶丸用空心微球制备技术研究进展

激光驱动惯性约束聚变有望解决能源危机,但聚变过程条件的苛刻性对在其中充当靶丸材料的空心微球的品质,如球形度、壁厚均匀性、表面粗糙度、壳层材料密度等提出了严格要求,而制备方法的选择及条件控制直接影响到微球的上述性能。本工作主要综述了研究较为广泛的炉内成球技术、降解芯轴技术以及乳液法的制备过程、适用范围、优劣势等,并对乳液法的形成机理和影响因素进行了较详细的阐释。     

氘气透过高纵横比空心玻璃微球的实验研究

为了测试用于激光聚变实验的高纵横比空心玻璃微球(HGM)对D2气保气性能及计算HGM内D2剩余量,对3种常用配方HGM及其用0.5MNH4F＋0.1MHNO3洗液在90℃下处理后的HGM分别在573K下分三步热扩散充D2气,然后在290K下分别在0h、72h、144h时用气泡法测量HGM内的D2气压,由此测定了D2气体透过HGM的充气速率和漏气速率及其表观扩散活化能,并给出它们对D2保气半时间或充气半时间随HGM直径、壁厚和温度变化的计算式。     

表面侵蚀对玻璃微球气体渗透性能的影响

研究了液滴发制备的玻璃微球表面受侵蚀后对微球表面形貌、耐外压能力和气体渗透系数的影响.研究表明,玻璃微球表面受侵蚀后,表面出现斑点,最大斑点直径达到25μm.微球的杨氏模量由原来的54GPa下降到39GPa,平均耐外压强度下降约28%.微球在室温条件下对D2的平均气体渗透系数由原来的1.1×10-21mol·m-1·s-1·Pa-1增加到8.0×10-20mol·m-1·s-1·Pa-1,平均增加了约70倍,保气半寿命由147d降低到2d.文中分析了产生原因,主要是玻璃球壳中碱金属离子扩散和表面与水反应的结果.     

化学法在空心玻璃微珠制备中的应用

对当前化学法在制备空心玻璃微珠的应用进行了综述,分析了国内外空心玻璃微珠的生产现状以及我国当前空心玻璃微珠的研制技术水平;介绍了空心玻璃微珠的特性,并介绍了空心玻璃微珠的一些实际应用,并对空心玻璃微珠制备方法的发展作了预测:干凝胶法是今后的主流方法之一。     

Fabrication and characterization of millimeter-sized glass shells for inertial confinement fusion targets

To fabricate target quality millimeter-sized glass shells for inertial confinement fusion (ICF) fuel micro-containers by sol–gel technology, the effects of gel particle properties and processing parameters on the diameter, quality and yield of resulting glass shells were investigated by simulation and experiments. The results show that the initial compositions and sizes of the gel particles, the blowing agents, the pressures and compositions of furnace atmosphere, the refining temperatures and the lengths of refining zone are the key parameters to obtain target quality millimeter-sized glass shells. Increasing the gel particle sizes and/or lowering the furnace atmosphere pressures, the resulting glass shell diameters increase rapidly but the sphericity, wall uniformity and surface finish decrease notably. Displacing argon gas with helium gas in the furnace atmosphere can significantly improve the glass shell diameters, quality and yields; however, keeping appropriate fraction of argon gas in the furnace atmosphere can reduce the fragmentation of the gel particles and the ripples and collapse on the shell walls. The quality and yields of the resulting glass shells can also be improved by increasing the temperatures and lengths of the refining zone.     

New Gold-Doped Foams by Copolymerization of Organogold(I) Monomers for Inertial Confinement Fusion (ICF) Targets

The incorporation of metallic elements, such as gold, into porous polymeric foams is an important focus for inertial confinement fusion (ICF) experiments. Incorporation was attempted from copolymerization of new organogold(I) monomers and various co-monomers by three development methods. This report describes the preparation of new polymeric gold foams, polymerizable high internal phase emulsion (polyHIPE) foams, divinylbenzene (DVB) foams and acrylate foams (TMPTA foams). The resulting gold-doped foams are characterized by elemental analysis, scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). A very homogeneous distribution of gold into the polymeric structure is obtained.