玻璃纖維用于超導磁體

    地球的平均磁感應強度為47μT,這就是使得指南針移動的磁場。如果能產生高得多的磁場,就可為科學發明和醫學發展開辟道路。美國AGY公司及其伙伴研發了一種新的復合材料技術,用以制造能夠產生約12T的磁場的磁體。
    在高場超導磁體的設計和制造中,電纜絕緣是一關鍵因素。絕緣材料必須滿足電學和應力等方面的要求。因為磁體內部繞組的總電流密度決定磁場的大小,絕緣材料在線圈中必須盡量少占空間。除了所有高磁場偶極子的這些共性要求外,在用Nb3Sn、Bi-2212或MbB2超導體制造繞組時,其絕緣系統還面臨三個挑戰。其一,當線圈終成形時,絕緣系統必須能夠經受所需的熱處理。其二,在玻璃纖維和超導母體陶瓷纖維的表面必須存在浸潤的化學組分,以便在絡紗、紡織和繞制線圈過程中提供潤滑作用?,F用的大多數浸潤劑在超導體熱處理所需的溫度下都會分解,分解產物會在繞組中留下余灰,這可能削弱磁體的電學和力學性能。其三,在高磁場偶極子中需要對繞組進行失超保護,用加熱器與每一繞組保持緊密熱接觸(但電隔離)來產生熱脈沖,而熱量必須通出絕緣材料傳輸。這意味著電纜絕緣層的厚度直接決定著一旦出現自發失超時是否能夠獲得佳響應時間。此響應時間對失超保護非常重要。因此,對絕緣材料的高要求成為高磁場偶極子研發中的一個遏制因素。
伙伴關系促成創新
    美國加速器技術公司找到AGY公司,求助研發能夠滿足這些嚴格要求的絕緣材料。S-2玻璃纖維能滿足這些性能要求,但亦存在兩個問題。其一,纖維直徑過粗而不能獲得合乎需要的薄層。其二,玻璃纖維上的浸潤劑在熱處理時會碳化,導致在電絕緣材料中形成斷點。為此,AGY決定在用作航空航天增強材料的細直徑S-2玻璃纖維產品上使用為耐高溫熱塑性塑料設計的浸潤劑。在此用途中,S-2玻璃纖維更好的耐高溫性能用來滿足陶瓷超導材料的加工要求;更細的纖維直徑(5μm)可做成磁體中極薄的絕緣層來獲得大的磁場強度;而所用的浸潤劑則可在成型超導材料的熱處理條件下保持穩定,而且在繼后浸漬環氧樹脂時促進表面粘結。
    AGY按照要求生產了所需的纖維,送至美國A&P技術公司進行編織。A&P公司嘗試了幾種編織方案,終確定合適的一種,把新纖維編織成一薄層,完全包覆超導陶瓷母體。為了達到絕緣包覆要求,A&P公司把紗線直接編織在用現代超導絞股線制成的盧瑟福電纜上。在一臺80錠的編織機上用極細的紗線以大編織角編織,形成均勻、緊密的包覆層。其壓縮厚度只有55μm側,達到了獲得大磁場的要求。加速器技術公司就使用這種編織超導體來制造磁體。
市場潛力
    如此研制的高場磁體在很多領域都具有獨特的價值。此研究項目歸初由美國能源部撥款,目的是開發新一代的超級對撞機。然而,此技術還有望用于其它很多領域。大可能是在醫學研究中揮發作用。這種磁體產生的高磁場可用來提高磁共振成像功能,檢查各種藥物對人體的作用。此磁場還可用來瞄準和摧毀人體中的癌瘤。AGY及其伙伴將與醫療設備制造商合作,將此技術用于更多醫學用途??衫么思夹g的另一領域是能量儲存。大型超導磁體可用來儲存大量能量,向工廠不間斷地供應能源。需要高磁場的第三方面是太空探索。太空中的輻射程度非常高,這對任何長時間的太空遨游都非常危險。一旦火星旅行成為現實,空間飛行器必定需要輻射防護。以此技術為基礎,可把超導磁體做得足夠小,使其成為太空旅行的可行解決方案。