[发明专利]一种用于低温液氦环境的陶瓷通道及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于低温液氦环境的陶瓷通道及其制备方法。所述方法包括如下步骤：将陶瓷粉体与有机溶剂混合得到混合料，所述混合料依次经冷等静压成型和高温烧结得到陶瓷通道，将所述陶瓷通道与金属接头进行封接即可；所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆粉末，其中氧化钇的摩尔百分含量为2～3％。本发明采用氧化锆陶瓷材料代替通常的纤维与环氧树脂材料制造液氦通道，使通道的强度、韧性、耐腐蚀性、耐辐射性能均有显著提高，因此服役寿命大幅提高。克服了纤维与环氧树脂材料容易发生老化导致气密性变差的缺点，可以满足全超导托卡马克装置对液氦通道的要求。

技术领域

本发明涉及一种用于低温液氦环境的陶瓷通道及其制备方法，属于高性能陶瓷制备技术领域。

背景技术

液氦通道(也称为轴向或径向绝缘子)是大型超导磁体系统的关键部件，在我国大科学工程项目全超导托卡马克装置EAST(Experimental Advanced SuperconductingTokamak)主机中共有1000多件大小不等的液氦通道。在装置运行中轴向绝缘子通过管路和对应的冷质部件构成冷却回路，承担着超导磁体用低温液体的通道，同时担负对地绝缘的作用。作为大科学工程国际科技合作计划之一的国际热核聚变实验堆(ITER)，也是迄今中国参加的规模最大的国际科技合作计划。其中的托卡马克装置为当今世界之最。其电流强度高达17MA，磁场强度高达5.3T，同时还要将9400吨的低温管道和磁铁冷却至4.2K，因此对氦通道的需求量非常大。显然在这种超低温、强电流、强磁场辐射(EAST要求绝缘子能够承受100kGy的辐照)的环境下工作对液氦通道材料而言极具考验，同时又要求材料具有良好的绝缘性。因此设计制作绝缘子的电绝缘材料性能要有足够的机械强度和必要的塑性，在低温下不会发生脆裂，耐低温密封性好，冷热收缩系数尽量小，在接头处不应产生太大的热应力，在多次冷热循环后，仍能保持所需的机械强度和真空密封性能，抗冷热冲击性好，抗振动性好，固化收缩率小，固化后不会产生大应力，引起界面的分离或开裂。

金属材料由于导电性较好不能使用，因此目前使用的是纤维增强环氧树脂复合材料。但是这种材料也不能完全胜任，研究表明，经过长时间服役后，纤维增强环氧树脂复合材料因内外温差产生的热应力导致气密性变差，容易造成液氦泄漏。另外，不断遭受外界的强烈辐照使得材料的力学性能急剧下降，进而影响了托卡马克低温系统的稳定运行，因此需要提供一种理想的液氦通道材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于低温液氦环境的陶瓷通道，其低温力学性能好、耐辐射性能强、服役寿命长，能够解决目前使用的纤维增强环氧树脂复合材料液氦通道存在的长期服役性能不能满足装置稳定运行的需求的缺陷。

本发明所提供的用于低温液氦环境的陶瓷通道的制备方法，包括如下步骤：

将陶瓷粉体与有机溶剂混合得到混合料，所述混合料依次经冷等静压成型和高温烧结得到陶瓷通道，将所述陶瓷通道与金属接头进行封接即可；

所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆粉末，其中氧化钇的摩尔百分含量可为2～3％如3％；

所述陶瓷粉体的粒径可为0.2～1.0μm。

上述的制备方法中，所述混合料中，所述陶瓷粉体的质量百分含量可为95～98％，如98％。

上述的制备方法中，所述有机溶剂可为乙醇、去离子水或二甲基甲酰胺(DMF)；

配制所述混合料时，采用球磨法将所述陶瓷粉体与所述有机溶剂混合均匀，得到液态浆料。

上述的制备方法中，所述冷等静压成型之前，所述方法还包括对所述混合料依次进行烘干和研磨造粒的步骤；

所述烘干温度为120～200℃，时间为8～12小时；

所述研磨造粒的研磨时间为5～15分钟。

上述的制备方法中，所述冷等静压成型的条件如下：