充气对玻璃球性能影响及注入法充气探索

发布时间：2020-08-11 23:58

【摘要】：玻璃球(Hollow Glass Microspheres,HGM)是激光惯性约束聚变(Inertial confinement fusion,ICF)实验中一种常用的燃料容器。同时,玻璃球中需加载诊断气体以在线监测其内爆压缩过程。ICF实验对玻璃球本身的结构具有较高的要求。经充气后,玻璃球从空心状态变成装载高压、高密度气体状态。充气过程玻璃球本身结构的改变,外界环境对玻璃球性能的影响均对后继的打靶过程造成一定的影响。因此,玻璃球的充气研究至关重要。本文分别采用热扩散法充气和注入法充气两种充气方法对玻璃球性能的影响进行了研究。不同充气过程将对玻璃球力学性能、表面形貌、结晶分相等产生不同的影响。论文针对以上问题进行了较系统的研究,主要研究内容及结果如下。(1)研究了不同充气温度对空心玻璃玻璃球性能的影响。实验结果表明:在不同的充气工艺下,所需充气时间不同,低温所用充气时间较长,高温能减小充气过程中所需的平衡时间,所用充气时间较短。充气温度高于400℃会使玻璃球的耐压强度大大降低。(2)通过控制变量法分析得出,充气温度和充气压力是影响玻璃球表面结晶分相的主要因素。温度越高、压力越大,玻璃球表面越易出现结晶分相现象。结晶分相导致空心玻璃玻璃球表面粗糙度增加。晶体成分主要是Na、B等元素组成。为了避免玻璃球表面结晶分相的发生可适当降低玻璃球中B_2O_3、Na_2O的含量。(3)由于激光能量聚焦性好,强度大,利于加工硬度大、熔点高的材料,采用激光技术对玻璃球表面打孔后,玻璃球并未发现微裂纹等现象。对不同孔径的玻璃球进行注入法充气并封胶。对采用注入法充气后不同孔径的玻璃球耐压强度及保气性能进行测试。结果表明,激光打孔封胶后,玻璃球强度有所降低,且降低值随孔径增大而增加,但总体降低幅度不大,不影响其使用性能。通过X射线荧光光谱法(X-Ray Fluorescence Spectrometer,XRF)跟踪玻璃球内气体量得出注入法充气具有良好的保气性能。(4)利用有限元对打孔玻璃球的力学性能进行了模拟分析。对于相同面积的微孔而言,不同的形状将导致不同的应力集中现象。圆形是对玻璃球进行激光打孔形状的最优选择。当微孔形状相同时,不同孔径的玻璃球具有不同的力学性能。随着孔径的增大,微孔处的应力呈逐渐增大的趋势。玻璃球孔径越大,玻璃球所受应力集中现象越明显,玻璃球的耐压强度越低。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL632
【图文】：

示意图,激光打靶,过程,示意图

西南科技大学硕士研究生学位论文料气体的靶丸上，在高强度、高能量的速上升，并形成等离子体，这些等离子体惯性继续发生向心运动并继续被加热，此，在极高温度下靶丸内燃料发生聚变反应阶段[28,29,30 ]。如图 1-1 所示：首先是对靶度的激光使靶丸表面迅速升温并形成等离部飞散，由于反作用力的存在，迫使靶丸丸内燃料密度迅速增大，在强激光的照射密度的状态，当温度和密度均达到某一极，随着聚变反应的发生，释放出大量的热

扩散现象,费克定律

西南科技大学硕士研究生学位论文，如图 2-1 中，气体分子 M（白圈）在 S 面上半部分较上半部分分布密集。由于气体分子，同时存在上半部分气体向下半部分的扩散和扩散。但由于上下两部分该气体密度不同，必净增长，这就是宏观上的扩散现象。为定量分 ick Law（费克定律）来描述[40,41 ]：zcDiJji A A 扩散发生的截面积； ji，单位面积的通量； ci扩散系数。

微观,渗透系数,散原,充气设备

图 2-2 气体的微观渗透图Fig 2-2 Gas permeation microcosmic diagram 热扩散法充气主要是将玻璃球放置于所需充壳内外压差，根据扩散原理，气体通过扩散渗球的气体渗透系数如公式 2-3 中所示：K=KTexp-B/RT）p0（为气体渗透常数（ mol·m-1·s-1·Pa-1）； T 为温度数（J·mol-1·K-1）；当充气温度上升至某一温度球渗透系数随温度升高成指数关系增长。扩散法充气设备及充气实验条件验所用充气设备为高温充气室，充气温度可根据的最高温度为 650 ℃ ，最大压力为 55MPa，充控温精度为 0.5 ℃ 。充气室主要由充气单元、机

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