ICF用纳米磁性粉体掺杂聚苯乙烯靶丸材料研究

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惯性约束核聚变ICF实用化的一个“瓶颈”是其能量增益太低。而ICF的能量增益大小与靶丸的设计、制备和激光对靶丸作用的均匀性有关。为此,我们提出了通过磁悬浮方式来达到无接触支撑固定靶丸的构想,由于磁悬浮支撑固定靶丸是无接触的,可减少靶丸表面的粗糙度,并可使激光对称、均匀地照射到靶丸上,从而实现高能量增益。为实现此构想,本文首次采用在聚苯乙烯中掺杂纳米磁性粉体,制备了磁性靶丸材料,为制备磁性靶丸,实现无接触点打靶奠定基础。 本文采用溶胶一凝胶法、双微乳液法分别制备了BaFe12O19、Fe3O4两种磁性纳米粉体,通过本体聚合工艺制备了BaFe12O19/PS和Fe3O4/PS磁性靶丸复合材料,通过理论推导建立了靶丸悬浮的理论模型,并结合实验进行了模拟计算。借助XRD、FTIR、TG-DSC、SEM、TEM、AFM、VSM等手段对制备的粉体和磁性靶丸复合材料进行了分析表征,获得以下结果: (1)采用溶胶—凝胶法合成了平均粒径约50nm、矫顽力Hcj约2.2KOe、剩余磁化强度Br约4.2KGs的BaFe12O19粉体;采用双微乳液法合成了平均粒径约25nm、饱和磁化强度为62emu/g且具有超顺磁性的Fe3O4粉体。 (2)BaFe12O19/PS和Fe3O4/PS靶丸复合材料的饱和磁化强度均随磁性粉体含量的增加而增加,但相同磁性粉体含量的两种靶丸复合材料中,BaFe12O19/PS体系的平均饱和磁化强度比Fe3O4/PS大8 KA/m。 (3)适量粉体的掺入,提高了复合材料的拉伸强度和冲击强度,并且随粉体含量的增加而增加。BaFe12O19/PS靶丸复合材料中,当BaFe12O19含量增加到6wt%时,其拉伸强度和冲击强度分别比PS基体材料增加了27%和102%。而当BaFe12O19含量继续增加到10%时,材料的拉伸强度和冲击强度基本上不再变化,分别为28.06 MPa和10.3 J/m-1。Fe3O4/PS体系的拉伸强度和冲击强度与BaFe12O19/PS体系的基本相同。 (4)由理论模型结合实验进行模拟计算可知,随磁性粉体含量的增加,使BaFe12O19/PS、Fe3O4/PS模拟靶丸悬浮的外界磁场强度逐渐减小。当BaFe12O19/PS模拟靶丸中BaFe12O19含量为2%时,所需的悬浮磁场强度为0.45mT:含量为6%时,悬浮磁场的强度减小到0.37 mT,而Fe3O4/PS模拟靶丸悬浮所需的外界磁场强度从1.43mT减小到1.02 mT。 (5)本文所获得的两种磁性靶丸复合材料,悬浮时所需的外界磁场相
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