充气对玻璃球性能影响及注入法充气探索

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B2O3、Na2O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。

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1.1 引言

1.2.1 聚变能

1.2.2 激光惯性约束聚变

1.2.3 玻璃球充气研究的意义

1.3.1 热扩散法

1.3.2 注入法充气

1.3.3 炉内原位法充气

1.4 玻璃球充气的研究进展

1.5.1 课题提出

1.5.2 研究内容

2 热扩散法充气对玻璃球性能影响

2.1 引言

2.2 热扩散法充气

2.2.1 热扩散法充气渗透模型

2.2.2 热扩散法充气设备及充气实验条件

2.3 耐压性能

2.4 玻璃球表面形貌

2.4.1 玻璃球表面形貌及粗糙度

2.4.2 玻璃球表面结晶分相的形成及演化

2.4.3 玻璃球成分分析

2.5 玻璃球结晶分相的影响因素

2.5.1 温度对玻璃球结晶分相的影响

2.5.2 压力对玻璃球结晶分相的影响

2.5.3 结晶分相的原因及应对措施

2.6 本章小结

3 注入法充气工艺探索

3.1 引言

3.2 激光打孔

3.2.1 激光加工技术

3.2.2 激光打孔对玻璃球表面形貌的影响

3.2.3 注入法充气流程

3.3.1 胶的物理性能

3.3.2 胶粘度的影响

3.4.1 孔位置对封胶的影响

3.4.2 孔径对封胶的影响

3.4.3 其它因素的影响

3.5.1 耐压强度

3.5.2 保气性能

3.6 本章小结

4 玻璃球受力模拟

4.1 引言

4.2.1 有限元的简介

4.2.2 玻璃球的物理模型

4.3 影响玻璃球受力因素分析

4.3.1 微孔形状对玻璃球受力影响

4.3.2 微孔孔径对玻璃球受力影响

4.4 实验数据与模拟对比

4.5 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果