一种用于低温冷冻靶的浸润球壳及其制备方法

1.本发明涉及低温冷冻靶的制备，具体地，涉及一种对氘氚液体具有浸润性的低温冷冻靶球壳及其制备方法。


背景技术：

2.内部含有均匀氘氚(dt)液体燃料层的低温冷冻球壳靶是用于惯性约束聚变(icf)的理想内爆靶型之一，而获得低温冷冻靶的关键在于靶丸表面形成厚度均一、表面光滑的冷冻燃料层。目前形成冷冻靶内部燃料层的方法主要分为两种：一种是通过外部低温技术直接冷冻充满燃料气体的靶丸系统，获得沉积在靶丸表面的固体或液体燃料层，再通过热梯度法、u分层技术、等离子体分层技术等形成均匀的燃料层；另一种方式是利用低密度的球壳等外部结构作为载体吸附氘氚液体形成分布均一的燃料层。与前者相比，低密度球壳等外部结构作为吸附载体设计制备简单，较易实现，是更优的选择。
3.通过针对现有的技术的检索发现：
4.美国加利福尼亚劳伦斯利弗莫尔国家实验室sacks等人在nuclear fusion,1987,27上撰文“direct drive cryogenic icf capsules employing d-t wetted foam”，其首次提出采用低密度、低原子序数的微孔泡沫球壳作为载体，实现氘氚液体的浸润和均匀分布。对于合理的单元尺寸，毛细作用力足以解决液体不浸润的问题。但潜在的问题在于液体扩散填充期间需要可靠的处理更多剂量的氘氚气体，以及温控保护，以实现最佳填充效果。
5.中国工程物理研究院du kai等人在原子能科学技术，2002，36上撰文“低温冷冻靶用聚合物泡沫球壳研制”，其采用三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta)的溶液聚合反应，结合多次乳化技术，制备出惯性约束聚变冷冻低温靶用泡沫空心微球。由于泡沫蜂窝造成的光散射，微球呈白色不透明状，给测量氘氚液体在球壳内的分布带来一定的困难。
6.日本大阪大学t.norimatsu等人在fusion engineering and design,2001,55上撰文“issue in capsule fabrication and injection into a wet-walled ife reactor”，其采用多次乳化技术和界面聚合反应制备出具有气体屏障的ps泡沫球壳，其直径1～4mm、泡沫厚度20～200μm、球形度99％、泡沫密度43g/cm3。
7.综上所述，利用低密度球壳结构作为载体吸附氘氚液体形成低温冷冻靶丸内部分布均匀的燃料层，具有灵活、易实现的优势，可以根据实际需要制备出不同聚合物的球壳。但利用微流控方式制备的聚合物球壳会引入较多的不必要的元素，制备过程较为复杂，成品率低，结构尺寸难以精确控制，因此亟需提出一种结构尺寸易控制、对氘氚液体浸润的球壳设计及制备方式。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于低温冷冻靶的浸润球壳及其制备方法。
9.根据发明的第一方面，提供一种用于低温冷冻靶的浸润球壳的基本单元，所述基
本单元为正四面体结构，所述正四面体结构由实心棱柱构成，内部为空心结构，利用该空心结构作为液体流动、填充空间；所述正四面体结构中设置有微柱或亲水结构。
10.可选地，所述正四面体结构中设置有多个微柱，每个所述微柱均从正四面体的一个顶角延伸到正四面体的另一个顶角，且这些所述微柱均相交于所述正四面体的中心，形成以所述正四面体的中心为中心点的放射性布置。
11.可选地，所述正四面体结构的棱柱表面修饰有亲水结构。
12.可选地，所述亲水结构为猪笼草结构，所述正四面体结构的同一棱柱连接的平行两个面的表面上的猪笼草结构方向相反。
13.本发明的第二方面，提供一种用于低温冷冻靶的浸润球壳，包括：多个基本单元，所述多个基本单元通过密堆积排列形成整体球壳结构。
14.可选地，多个所述基本单元以密堆积排列形成整体球壳结构，以满足球壳尺寸需求；所述密堆积排列利用疏密相间的配合结构以达到液体在特定方向的优先移动。
15.本发明的第三方面，提供一种用于低温冷冻靶的浸润球壳的制备方法，包括：
16.s1，以正四面体结构为基本单元，每个正四面体结构内部为空心结构，液体利用正四面体结构的实心棱柱作为载体填充于内部空心结构；
17.s2，对基本单元内部空心结构或外部棱柱进行结构修饰，其中，在基本单元内部空心结构设置微柱，在外部棱柱修饰亲水结构；
18.s3，将结构修饰后的基本单元进行密堆积形成球壳结构；
19.s4，利用3d打印完成球壳。
20.可选地，所述方法在s4完成后，还包括：
21.s5，3d打印完成后，在结构表面进行改性处理。
22.可选地，所述在结构表面进行改性处理，包括：
23.利用等离子体技术进行表面改性处理；
24.表面利用亲水性高分子聚合物进行改性处理。
25.可选地，所述利用等离子体技术进行表面改性处理，是指：采用氧等离子体技术处理所述基本单元的表面，形成增强浸润效果的粗糙结构。
26.与现有技术相比，本发明实施例具有以下至少一种有益效果：
27.本发明上述用于低温冷冻靶的浸润球壳的基本单元，通过正四面体结构中设置有微柱或亲水结构，可以利用这些微小结构来提高液体浸润效果。
28.本发明上述用于低温冷冻靶的浸润球壳，由多个基本单元(正四面体结构)构成，结构尺寸能精确控制。进一步的，基于微小结构单元毛细力作用，通过将内部或外部修饰不同结构的基本单元疏密相间密堆积以形成球壳载体，该结构能够降低液体重力影响，同时改善结构与液体之间的接触角，从而有效提高均匀浸润效果。
29.本发明上述用于低温冷冻靶的浸润球壳的制备方法，采用3d打印完成，制备过程较为简单，成品率高，结构尺寸易控制。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
31.图1为本发明一较优实施例一种用于低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳结构示意图；
32.图2为本发明一较优实施例中一种用于低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳基本单元结构修饰示意图；
33.图3为本发明一优选实施例中一种用于低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳基本单元结构密堆积示意图；
34.图4为本发明一优选实施例一种用于低温冷冻靶氘氚燃料球壳载体的改性过程示意图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
36.图1为本发明一较优实施例3d打印的作为低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳结构示意图。
37.如图1中(a)所示，为构成低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳的基本单元，该基本单元为正四面体结构，正四面体结构由多根实心棱柱构成，内部为空心结构，利用该空心结构作为液体流动、填充空间，棱柱起支撑载体作用，液体填充在棱柱形成的正四面体结构的内部空心结构。
38.如图1中(b)所示为多个基本单元密堆积整体侧视示意图，最终形成预期的球壳结构，内部为空心结构作为液体流动、填充空间，通过正四面体结构密堆积阵列形成整体结构。
39.如图1中(c)所示为球壳结构正视图，如图1中(d)所示为球壳结构的俯视平面图。由上述可见，通过多个正四面体结构的基本单元密堆积后形成球壳结构，类似用砖砌出拱形建筑。每个正四面体的尺寸根据实际应用需要来选择，具体的，图1中标记表示为：1为边长为15μm，棱柱宽度为2μm的基本单元。当然，在其他实施例中，基本单元可以根据实际需要进行结构参数设计，nm～mm不等。
40.本发明上述实施例的球壳整体以正四面体结构为基本单元，内部为空心结构作为液体流动和填充空间，利用外部棱柱结构作为支撑载体，采用正四面体结构密堆积成整体，从而基于结构单元毛细力作用，能够降低液体重力影响，同时改善结构与液体之间的接触角，从而有效提高均匀浸润效果。
41.为了能改善结构与液体之间的接触角，进一步对基本单元进行了优化。图2为本发明一较优实施例中一种用于低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳基本单元结构修饰示意图。图2中标记分别表示为：2为内部利用圆柱修饰结构1内部的基本单元、3为利用猪笼草修饰结构1外侧棱柱的基本单元。
42.参照图2所示，在一较优实施例中，为加强毛细力作用，克服液体自身重力作用，增强液体的向上输运，改善浸润效果，在正四面体基本单元结构内部利用如图2中(a)所示的实心微柱进行修饰，作为液体辅助支撑载体，以降低液体自身重力影响，形成改善的单元结
构，如图2中(b)所示；具体的，在正四面体结构中设置有多个微柱，每个微柱均从正四面体的一个顶角延伸到正四面体的另一个顶角，且这些微柱均相交于正四面体的中心，形成以正四面体的中心为中心点的放射性布置。更好地，如图2所示，微柱为实心微圆柱。
43.参照图2所示，在另一较优实施例中，为增强液体在各基本单元之间的输运效果，实现结构表面导流及液体均匀浸润，利用如图2中(c)所示为修饰在基本单元的正四面体结构棱柱表面的猪笼草结构，其中猪笼草结构成“v”字型，液体由“v”的翼型两侧向尖端流动，尖端及两翼角度根据浸润液体及制备所用材料属性进行设计。如图中所示，正四面体结构的棱柱表面上，“v”字型的猪笼草结构均匀排布在实心棱柱表面，为凸出表面的“v”字型形状，多个或多组“v”字型猪笼草结构关于棱柱表面中轴线对称设置。在一些实施例中，“v”字型的底部可以是圆滑过渡。猪笼草结构数量及彼此间距根据实心棱柱尺寸设计，完成均匀全覆盖以实现有效导流效果即可。
44.如图2中(b)所示为修饰猪笼草结构的棱柱示意图，如图2中(e)所示为利用猪笼草改善后基本单元的侧视示意图。为达到最优输运效果，在一优选方式中，正四面体结构的同一棱柱两端连接的相对的表面(即同一棱柱连接的平行两个面的表面)上，设置的猪笼草结构方向相反，即“v”字型的开口方向相反。这样，起到导流作用的猪笼草结构在同一棱柱对立表面“v”字型开口方向相反，有利于液体向不同方向流动，从而实现液体在结构内部的快速均匀分布。
45.本发明上述实施例中，在基本单元内部空心结构处利用微圆柱结构修饰或在其外部棱柱表面利用猪笼草结构修饰以增强结构与液体间的浸润性及液体流动性，当然，这两个优选特征也可以同时使用。
46.图3为本发明一优选实施例中一种用于低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳基本单元结构密堆积示意图。为满足整体尺寸需求，将结构修饰后的基本单元密堆积排列形成整体结构，其中，为实现液体在特定方向优先流动，包括采用不同尺寸的基本单元疏密相间配合结构。
47.具体的，参照图3所示，密堆积方式主要包括：基本结构单元密堆积排列形成整体结构以满足球壳尺寸需求，图3中(a)所示为内部利用微圆柱结构修饰后基本单元的密堆积侧视示意图，图3中(b)所示为外部利用猪笼草结构修饰后基本单元的密堆积侧视示意图。依据尺寸越小毛细作用力越强的原理，利用疏密相间的配合结构以达到液体的在特定方向优先移动，如图3中(c)所示，在需要优先流动方向采用小尺寸基本单元结构密堆积，在次要流动方向采用大尺寸基本单元结构密堆积，即可以达到液体的在特定方向优先移动的目的。图3中(d)所示为较大尺寸基本单元与较小尺寸基本单元具体配合形式侧视示意图。在一实施例中，图3中4为边长为5μm，棱柱宽度为0.5μm的基本结构单元。
48.基于上述相同技术构思，在另一实施例中，本发明还提供一种上述用于低温冷冻靶的浸润球壳的制备方法，包括：
49.s1，以正四面体结构为基本单元，每个正四面体结构内部为空心结构，液体利用正四面体结构的实心棱柱作为载体填充于内部空心结构；
50.s2，对基本单元内部空心结构或外部棱柱进行结构修饰，其中，在基本单元内部空心结构设置微柱，在外部棱柱修饰亲水结构；
51.s3，将结构修饰后的基本单元进行密堆积形成球壳结构；
52.s4，利用3d打印完成球壳，材料可以包括光敏树脂，
53.上述实施例非亲水结构都可以通过3d打印完成制备，3d打印操作简单，成本低，3d打印结构完成后，在结构表面利用等离子体技术及亲水高分子聚合物进行改性处理，进一步改善液体与该结构之间的浸润性。
54.在上述制备方法s1～s4的基础上，还可以进一步包括：s5，3d打印结构完成后，在结构表面进行改性处理，改善表面粗糙结构。以下结合图4详细说明。
55.图4为本发明一较优实施例中作为低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳表面改性过程示意图。参照图4所示，在该较优实施例中，在结构表面进行改性处理可以是先利用等离子体技术进行表面改性处理，处理后的表面利用亲水性高分子聚合物进一步进行改性处理。具体的，将3d打印完成的球壳结构利用微波等离子去胶机进行氧等离子体表面处理，在引入极性键的同时，改善表面粗糙结构；将氧等离子体处理后的球壳结构浸泡在亲水性高分子聚合物溶液中并超声处理，取出球壳利用氮气枪轻吹处理，使得结构表面被亲水性高分子聚合物固体薄层覆盖。具体的，表面利用氧等离子体表面改性处理，参数根据材料属性设定，包括等离子体功率及表面处理时间。
56.表面利用亲水性高分子聚合物进行改性处理，高分子聚合物包括聚乙烯醇(pva)、聚丙烯酸，处理方式根据聚合物材料属性选择，包括表面浸泡、沉积。
57.具体的，在另一具体实施例中，提供一种内部利用微圆柱修饰用于低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳的聚乙烯醇(pva)制备改性过程，包括以下步骤：
58.1)正四面体基本单元有两种尺寸：一种边长为15μm，棱柱宽度为2μm，内部圆柱结构直径1μm，连接在正四面体体对角线；另一种边长为5μm，棱柱宽度为0.5μm，内部圆柱结构直径0.3μm,连接在正四面体体对角线；
59.2)为实现液体的定性流动，根据分子动力学相关知识，密度高的区域毛细作用力强，液体优先在该区域流动，从而在主要输运通道采用小尺寸正四面体单元，周围配合大尺寸正四面体单元,以大尺寸与小尺寸正四面体单元1：9的配合比进行密堆积，完成整体结构的设计；
60.3)以光敏树脂为原料，利用高精度3d打印设备制备出球壳结构；
61.4)将打印出的球壳结构利用微波等离子去胶机进行氧等离子体表面处理，在引入极性键的同时，改善表面粗糙结构；
62.5)将氧等离子体处理后的球壳结构浸泡聚乙烯醇(pva)溶液中并超声处理10s，取出球壳利用氮气枪轻吹处理，使得结构表面被聚乙烯醇(pva)固体薄层覆盖。
63.具体的，在另一具体实施例中，还提供一种表面修饰猪笼草结构的用于低温冷冻靶氘氚燃料载体的球壳的聚乙烯醇(pva)制备改性过程，包括以下步骤：
64.1)正四面体基本单元边长为15μm，棱柱宽度为2μm，棱柱表面覆盖猪笼草结构，每个棱柱根据尺寸需求实现完全覆盖，且对立棱柱猪笼草结构方向相反以实现最优输液效果；
65.2)将基本结构单元密堆积，完成整体结构的设计；
66.3)以光敏树脂为原料，利用高精度3d打印设备制备出球壳结构；
67.4)将打印出的球壳结构利用微波等离子去胶机进行氧等离子体表面处理，在引入极性键的同时，改善表面粗糙结构；
68.5)将氧等离子体处理后的球壳结构浸泡聚乙烯醇(pva)溶液中并超声处理10s，取出球壳利用氮气枪轻吹处理，使得结构表面被聚乙烯醇(pva)固体薄层覆盖。
69.综上，本发明上述实施例以正四面体结构为基本单元；为降低液体重力影响，增强液体流动效果，基本单元结构内部修饰圆柱结构或外部修饰猪笼草等亲水结构；通过密堆积满足实际尺寸需求，疏密相间的配合结构以实现液体的定向流动；利用高精度3d打印平台制备出所需结构；利用氧等离子体技术及聚乙烯醇等高分子亲水聚合物对结构进行改性，实现液体更优浸润效果。本发明上述实施例利用微结构间的毛细力作用实现液体在结构表面的输运及浸润，同时对结构表面进行改性处理，从而有效提高液体浸润效果。制备方法无需采用过程复杂的制备步骤，过程简单便捷，成本较低。
70.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种用于低温冷冻靶的浸润球壳的基本单元，其特征在于，所述基本单元为正四面体结构，所述正四面体结构由实心棱柱构成，内部为空心结构，利用该空心结构作为液体流动、填充空间；所述正四面体结构中设置有微柱或亲水结构。2.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于，所述正四面体结构中设置有多个微柱，每个所述微柱均从正四面体的一个顶角延伸到正四面体的另一个顶角，且这些所述微柱均相交于所述正四面体的中心，形成以所述正四面体的中心为中心点的放射性布置。3.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于，所述正四面体结构的棱柱表面修饰有亲水结构。4.根据权利要求3所述的用于低温冷冻靶的浸润球壳，其特征在于，所述亲水结构为猪笼草结构，所述正四面体结构的同一棱柱连接的平行两个面的表面上的猪笼草结构方向相反。5.一种用于低温冷冻靶的浸润球壳，其特征在于，包括：多个权利要求1-4任一项所述的基本单元，所述多个基本单元通过密堆积排列形成整体球壳结构。6.根据权利要求5所述的用于低温冷冻靶的浸润球壳，其特征在于，多个所述基本单元以密堆积排列形成整体球壳结构，以满足球壳尺寸需求；所述密堆积排列利用疏密相间的配合结构以达到液体在特定方向的优先移动。7.一种权利要求5-6任一项所述的用于低温冷冻靶的浸润球壳的制备方法，其特征在于，包括：s1，以正四面体结构为基本单元，每个正四面体结构内部为空心结构，液体利用正四面体结构的实心棱柱作为载体填充于内部空心结构；s2，对基本单元内部空心结构或外部棱柱进行结构修饰，其中，在基本单元内部空心结构设置微柱，在外部棱柱修饰亲水结构；s3，将结构修饰后的基本单元进行密堆积形成球壳结构；s4，利用3d打印完成球壳。8.根据权利要求7所述的用于低温冷冻靶的浸润球壳的制备方法，其特征在于，所述方法在s4完成后，还包括：s5，3d打印完成后，在结构表面进行改性处理。9.根据权利要求8所述的用于低温冷冻靶的浸润球壳的制备方法，其特征在于，所述在结构表面进行改性处理，包括：利用等离子体技术进行表面改性处理；在上述表面改性处理后的表面利用亲水性高分子聚合物进行改性处理。10.根据权利要求9所述的用于低温冷冻靶的浸润球壳的制备方法，其特征在于，所述利用等离子体技术进行表面改性处理，是指：采用氧等离子体技术处理所述基本单元的表面，形成增强浸润效果的粗糙结构。

技术总结
本发明提供了一种用于低温冷冻靶的浸润球壳及其制备方法，包括：基本单元为正四面体结构，所述正四面体结构由实心棱柱构成，内部为空心结构，利用该空心结构作为液体流动、填充空间；所述正四面体结构中设置有微柱或亲水结构。多个基本单元通过密堆积排列形成整体球壳结构。本发明上述球壳基于3D打印制备，利用微结构间的毛细力作用实现液体在结构表面的输运及浸润，同时可以进一步对结构表面进行改性处理，从而有效提高液体浸润效果。该种方法无需采用过程复杂的制备步骤，过程简单便捷，成本较低。成本较低。成本较低。


技术研发人员：刘景全 朱先涛 林祖德 王晓林 刘武
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8