• 2025-12-27 14:12

玻璃纤维用于超导磁体

    地球的平均磁感应强度为47μT,这就是使得指南针移动的磁场。如果能产生高得多的磁场,就可为科学发明和医学发展开辟道路。美国AGY公司及其伙伴研发了一种新的复合材料技术,用以制造能够产生约12T的磁场的磁体。
    在高场超导磁体的设计和制造中,电缆绝缘是一关键因素。绝缘材料必须满足电学和应力等方面的要求。因为磁体内部绕组的总电流密度决定磁场的大小,绝缘材料在线圈中必须尽量少占空间。除了所有高磁场偶极子的这些共性要求外,在用Nb3Sn、Bi-2212或MbB2超导体制造绕组时,其绝缘系统还面临三个挑战。其一,当线圈终成形时,绝缘系统必须能够经受所需的热处理。其二,在玻璃纤维和超导母体陶瓷纤维的表面必须存在浸润的化学组分,以便在络纱、纺织和绕制线圈过程中提供润滑作用。现用的大多数浸润剂在超导体热处理所需的温度下都会分解,分解产物会在绕组中留下余灰,这可能削弱磁体的电学和力学性能。其三,在高磁场偶极子中需要对绕组进行失超保护,用加热器与每一绕组保持紧密热接触(但电隔离)来产生热脉冲,而热量必须通出绝缘材料传输。这意味着电缆绝缘层的厚度直接决定着一旦出现自发失超时是否能够获得佳响应时间。此响应时间对失超保护非常重要。因此,对绝缘材料的高要求成为高磁场偶极子研发中的一个遏制因素。
伙伴关系促成创新
    美国加速器技术公司找到AGY公司,求助研发能够满足这些严格要求的绝缘材料。S-2玻璃纤维能满足这些性能要求,但亦存在两个问题。其一,纤维直径过粗而不能获得合乎需要的薄层。其二,玻璃纤维上的浸润剂在热处理时会碳化,导致在电绝缘材料中形成断点。为此,AGY决定在用作航空航天增强材料的细直径S-2玻璃纤维产品上使用为耐高温热塑性塑料设计的浸润剂。在此用途中,S-2玻璃纤维更好的耐高温性能用来满足陶瓷超导材料的加工要求;更细的纤维直径(5μm)可做成磁体中极薄的绝缘层来获得大的磁场强度;而所用的浸润剂则可在成型超导材料的热处理条件下保持稳定,而且在继后浸渍环氧树脂时促进表面粘结。
    AGY按照要求生产了所需的纤维,送至美国A&P技术公司进行编织。A&P公司尝试了几种编织方案,终确定合适的一种,把新纤维编织成一薄层,完全包覆超导陶瓷母体。为了达到绝缘包覆要求,A&P公司把纱线直接编织在用现代超导绞股线制成的卢瑟福电缆上。在一台80锭的编织机上用极细的纱线以大编织角编织,形成均匀、紧密的包覆层。其压缩厚度只有55μm侧,达到了获得大磁场的要求。加速器技术公司就使用这种编织超导体来制造磁体。
市场潜力
    如此研制的高场磁体在很多领域都具有独特的价值。此研究项目归初由美国能源部拨款,目的是开发新一代的超级对撞机。然而,此技术还有望用于其它很多领域。大可能是在医学研究中挥发作用。这种磁体产生的高磁场可用来提高磁共振成像功能,检查各种药物对人体的作用。此磁场还可用来瞄准和摧毁人体中的癌瘤。AGY及其伙伴将与医疗设备制造商合作,将此技术用于更多医学用途。可利用此技术的另一领域是能量储存。大型超导磁体可用来储存大量能量,向工厂不间断地供应能源。需要高磁场的第三方面是太空探索。太空中的辐射程度非常高,这对任何长时间的太空遨游都非常危险。一旦火星旅行成为现实,空间飞行器必定需要辐射防护。以此技术为基础,可把超导磁体做得足够小,使其成为太空旅行的可行解决方案。