一种基于镓的超导块材浸渍固化系统
阅读说明：本技术 一种基于镓的超导块材浸渍固化系统 (Gallium-based superconducting bulk material impregnation curing system ) 是由 代云中 李平原 周东洋 施渊吉 罗钟雨 李宁 陈启强 屈珣 胡伟龙 张鑫坤 刘健 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：一种基于镓的超导块材浸渍固化系统,包括内部空间为中空结构的密封箱体,密封箱体上设置有箱体盖用于封闭密封箱体的内部空间,密封箱体的内部空间中不完全填充有镓浸渍层,镓浸渍层中浸渍有超导块材,镓浸渍层高度可变,其位于最高位处时没过超导块材顶部,密封箱体内部还设置有控温结构,控制密封箱体内部空间中的温度变化；本发明采用带有控温装置的箱体结构,在箱体结构中填充液镓作为浸渍层,浸渍层中设置超导块材,通过控温装置调节箱体的温度可将液镓转化为固体镓,将超导块材稳定卡设在箱体结构内部,实现了对超导块材的稳固固定,避免了常规高温处理过程降低超导材料的超导性能,并可同时控制超导体的热量,具有良好的失超保护效果。(A superconductive block material dipping and curing system based on gallium comprises a sealed box body with a hollow structure in the inner space, wherein a box body cover is arranged on the sealed box body and used for sealing the inner space of the sealed box body; the invention adopts a box body structure with a temperature control device, liquid gallium is filled in the box body structure as an impregnation layer, the superconducting block material is arranged in the impregnation layer, the liquid gallium can be converted into solid gallium by adjusting the temperature of the box body through the temperature control device, the superconducting block material is stably clamped in the box body structure, the superconducting block material is stably fixed, the superconducting performance of the superconducting material is prevented from being reduced in the conventional high-temperature treatment process, the heat of the superconductor can be simultaneously controlled, and the quench protection effect is good.)
技术领域
本发明涉及超导材料技术领域，具体涉及一种基于镓的超导块材浸渍固化系统。
背景技术
超导材料，是指在一定温度条件下呈现零电阻和完全抗磁性的材料，正因为其优异的特性，使得超导材料具有广泛的应用前景。同时，由于现有的绝大多数超导材料均需要处于低温条件下才能实现其超导特性，所以常见的超导材料即便在使用时，也一般是储存放置在特殊的低温容器中，以低温条件保证其超导特性的稳定存在，使得超导材料可以顺利投入实际使用中。
现有的超导材料在相应容器中的设置方法多是以铜焊的形式进行，即使用铜片分别与待固定超导材料和容器焊接，以此将超导材料设置固定在相应的容器中，焊接过程中的高温氧化条件将不可避免地对超导材料造成损伤，同时焊接过程中所述的空气氛围也将使得超导材料产生氧化，降低超导材料的超导性能。
另外一种将超导材料固定在相应容器中的常见方法则是使用环氧树脂类粘接剂对超导材料和容器进行粘结，基于环氧树脂对于各种金属材料和非金属材料的优良粘接性能，这种方法可以避免焊接方法中容易出现的高温和氧化损伤，同时环氧树脂还可以浸渍在超导材料表面对其进行防氧化处理，相比于焊接固定，环氧树脂固定具有更多的优点和可操作性。然而，环氧树脂类粘接剂在超导材料表面的浸渍时，由于需要对环氧树脂粘接剂进行高温固化，存在着会导致超导材料临界电流降低的问题，影响超导材料的超导性能，使得环氧树脂在超导材料的固定方面难以实现有效应用。此外，环氧树脂处于低温环境(液氮温区)时会变脆，断裂韧性变差，受到应力冲击时容易开裂，开裂过程中会将存储的弹性能以热量形式释放，同时，开裂会进一步导致环氧树脂的力学性能和热学性能下降，如超导磁体刚度下降和树脂热导率降低。树脂热导率降低将不利于热量耗散，若热量不能快速耗散，还可能会引起超导磁体提前失超，影响导磁体的正常运行。
为了避免高温处理可能对超导材料带来的损伤，使用无需高温条件的低温粘接剂则成为了一种有效的处理方式，如熔沸点较低的金属冷焊剂。
在可作为金属冷焊剂的原料中，镓是一种具有很高沸点(2430℃)而熔点(29.78℃)很低的金属，室温下多呈现液态，当液态镓金属与多种金属粉末混合之后，即可组成镓基合金焊剂，适用于对温度导热等敏感的材料的焊接固定,使用时将它涂在金属与陶瓷欲焊接处,凝固后即焊接成功。同样的，镓合金冷焊剂也存在着较为明显地使用方面的问题：为赋予其针对不同材料的优良冷焊性能，需要对应地改变镓合金中金属的添加量，使得制作工艺复杂，且具有较高的制作成本，在大规模应用方面明显受到限制。
发明内容
鉴于此，本发明目的在于提供一种基于镓的超导块材浸渍固化系统，可对超导块材进行稳定固化，避免现有的超导块材固化过程中对其超导性能的影响，同时也为超导块材提供了隔绝氧气的低温环境，实现了对超导块材的失超保护。
本发明提供的技术方案是，提供一种基于镓的超导块材浸渍固化系统，包括内部空间为中空结构的密封箱体，密封箱体上设置有箱体盖用于封闭密封箱体的内部空间，密封箱体的内部空间中不完全填充有镓浸渍层，镓浸渍层中浸渍有超导块材，镓浸渍层高度可变，其位于最高位处时没过超导块材顶部，镓浸渍层为纯液态金属镓组成，根据现有技术可知，液镓在温度低于其熔点29.78℃时将由液态凝固为固态，且体积会有约3％的增长，同时镓浸渍层为不完全填充在密封箱体的内部空间中，当镓浸渍层凝固时即可顺利扩大体积；因此，在温度高于纯金属镓的熔点时，可根据需要将超导块材完全或非完全浸入镓浸渍层的特定位置中，之后降低温度至低于纯金属镓的熔点，使其膨胀后以固体的形式稳定卡设在密封箱体的内部空间中，并保证膨胀后的固体顶面没过超导块材的顶部，从而将超导块材完全包裹卡设在镓浸渍层内部。
密封箱体内部还设置有控温结构，控制密封箱体内部空间中的温度变化，可将镓浸渍层在固液态之间相互转换，使得超导块材能够放入呈液态的镓浸渍层中，另外控温结构还可持续为密封箱体内部空间提供温度环境，使密封箱体内部的超导块材可以保持在稳定维持其超导性能的工作温度条件下。
本发明的一种实施方式在于，所述密封箱体为非磁性材料制成，当超导块材处于磁性材料附近时，磁性材料形成的宏观磁场可能破坏超导材料中的库珀对，将使得超导块材失去超导效应，使用非磁性材料制成密封箱体可消除超导块材因为磁场作用而引起失超的风险。
进一步的，所述控温结构包括内夹层、注排液口，内夹层设置在密封箱体壁内部，且包覆在密封箱体内部空间的四周，内夹层可用于容纳具有不同温度的控温介质，起到对密封箱体内部空间进行温度控制的作用；两组以上注排液口设置在密封箱体表面，并分别连通至内夹层中，两组注排液口足以在内夹层上分别形成介质的进出口，多出的注排液口可根据需要作为额外的介质进口或出口，便于高效地注入排出温度介质，此外还可在内夹层中形成温度介质的循环，保证以内夹层为核心的控温结构针对密封箱体内部空间的温度稳定效果。
进一步的，所述密封箱体内部空间与超导块材表面均设置有不与金属镓反应的保护层，这是由于液态状态下的镓金属可渗入多种金属材料中与之形成合金，并导致对应的金属溶解，因此添加保护层可用于防止液态金属镓引起密封箱体和超导块材的溶解。
进一步的，所述箱体盖外表面上设置有连通至密封箱体内部空间中的导线孔，在箱体盖上设置导线孔后，可运行超导块材在密封箱体内部空间中与外界电连接，即将超导块材接入外部电路中，使得超导块材可以在密封箱体内的稳定条件中实现其超导功能。
进一步的，所述密封箱体和箱体盖外表面上还覆盖有保温材料层，对密封箱体整体进行保温，稳定维持箱体内部的低温条件，从而保证对超导块材的失超保护效果。
进一步的，内夹层中填充有液氮，液氮具有良好的降温效果，且性质稳定，可用于持续保持密封箱体内部的整体低温条件。
本发明起到的技术效果是：
1、本发明采用带有控温装置的箱体结构，并在箱体结构中不完全填充液镓作为浸渍层，浸渍层中设置超导块材，通过控温装置调节箱体的温度可将液镓膨胀为固体镓，将超导块材稳定卡设在箱体结构内部，从而实现对超导块材的稳固固定，避免了常规固定方式中的高温处理过程降低超导材料的超导性能。
2、金属镓具有良好的导热性能，液镓降温形成包覆在超导块材周围固体后，可以对其中包覆的超导块材高效传导来自控温装置提供的低温条件，实现对超导块材的失超保护。
3、膨胀后的金属镓可将超导块材完全包覆，避免了超导块材与含有氧气的环境接触，对超导块材起到了防氧化的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明中镓浸渍层呈液态时的装置整体结构剖视图；
图2是本发明中镓浸渍层呈固态后的装置整体结构剖视图；
图中1密封箱体，2箱体盖，3内夹层，4保温材料层，5导线孔，6注排液口，7镓浸渍层，8超导块材。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例：
参见图1至图2，一种基于镓的超导块材浸渍固化系统：
密封箱体1上设置有箱体盖2用于封闭密封箱体的内部空间，密封箱体1的内部空间中不完全填充有镓浸渍层7，镓浸渍层7中浸渍有超导块材8，镓浸渍层7高度可变，其位于最高位处时没过超导块材8顶部；
密封箱体1内部还设置有控温结构，控制密封箱体1内部空间中的温度变化，内夹层3设置在密封箱体1壁内部，且包覆在密封箱体1内部空间四周，内夹层3中填充有液氮，两组注排液口6设置在密封箱体1表面，并分别连通至内夹层3中，注排液口6的数量为两组可最低限度地满足液氮的注入和排出，其数量不应作为对本发明中注排液口6数量的限制；同时，液氮作为低温介质，通过注排液口6注入内夹层3中提供镓浸渍层7所需的低温条件，在本实施例中，采用的是包覆在密封箱体1内部空间四周的内夹层3作为控制密封箱体1温度的主要结构，显然，本实施例中使用的夹层结构不应作为对本发明保护范围的限定，任何可实现本发明中所需的温度控制的容器，如杜瓦罐结构容器，均可适用于本发明当中；同样的，本实施例中使用液氮作为低温介质填充至内夹层3当中，包括液氮在内，任何可为密封箱体1提供低温条件的控温介质均可填充于本发明的内夹层3当中，因此本实施例中选用的液氮同样也不应作为对本发明保护范围的限定。
本实施例中，密封箱体1为不锈钢材料制成，除此之外，任何可实现本发明中密封箱体1功能的非磁性材料均可用于其制作，在此不再赘述。
密封箱体1内部空间与超导块材8表面还设置有铌箔作为保护层，在低温和常温条件下不与金属镓反应，且具有较好的导热性能，此外，任何能够实现防止密封箱体1内部空间和超导块材8表面与金属镓反应的保护层，且不影响箱体与超导块材8热交换的材料均可用于本发明中，在此不再赘述。
箱体盖2外表面上设置有连通至密封箱体1内部空间中的导线孔5，本实施例中的超导块材8未连接外部导线，因此将导线孔5封闭，而当超导块材8需要连接外导线时，开启导线孔5，将超导块材8上的导线穿过导线孔5连接至外部即可。
密封箱体1和箱体盖2外表面上还覆盖有保温材料层4，本实施例中采用酚醛泡沫作为保温材料层，除此之外，任何可实现本发明中对密封箱体1保温需求的保温材料层均可适用于本发明中，在此不再赘述。
本发明的工作原理是：
本发明用于将超导材料在不损害其超导性能的情况下，固定在专用浸渍固化系统当中，以实现超导材料的稳定工作，参见图1，密封箱体1为带有内夹层3的容器，内夹层3包覆在密封箱体1内部空间中，密封箱体1上设箱体盖2组成密封。使用时，首先在密封箱体1的内部空间中填充一定量的液镓，但需避免填充过度导致后续液镓膨胀时损坏箱体，具体填充量可根据密封箱体1内部空间的容积、超导材料的体积，以及液镓固定时的膨胀率综合确定，使得液镓低温固化后，膨胀至最大体积状态时，可淹没超导材料顶部；
之后向液镓中浸入超导块材8，超导块材8的放置位置根据设置者的需求确定，由超导块材8自身重力和液镓与超导块材8之间的作用力固定超导块材8；超导块材8上若设有连接导线，将导线穿过箱体盖2上的导线孔5延伸连接至外部电路设备中即可。
参见图2，超导块材8位置设置好之后，封闭密封箱体1，经注排液口6向内夹层3中注入液氮进行循环，持续为密封箱体1内部空间提供低温条件，使得密封箱体1内部空间的温度保持在超导块材8的工作温度下，此时温度低于镓浸渍层7的凝固温度，镓浸渍层7将膨胀凝固，其顶面膨胀没过超导块材8的顶面，并膨胀挤压在密封箱体1内部空间里，从而将超导块材8浸渍固化在密封箱体1中。
镓浸渍层7的膨胀固化，可使超导块材8隔绝氧气环境，避免氧化作用对超导块材8的超导性能造成影响，且包覆在超导块材8周围的镓金属具有良好的导热性能，便于将液氮提供的低温条件传递至超导块材8上，顺利维持超导块材8的正常工作状态，相较于目前对于超导材料的常规固定方式，使用镓浸渍层7对超导材料进行浸渍固化可以将超导材料稳固固定在密封箱体1构成的容器中，同时避免对超导材料的超导性能造成损失。
在本发明的描述中，需指出的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种线束加工用流水线