ITER大型超导磁体馈线系统用环氧基低温绝缘子材料及低温性能研究

纤维增强环氧基复合材料具有高的电绝缘性能，在低温、强磁场、高电压等特殊环境具有广泛的应用。作为ITER大型超导磁体馈线系统冷量传输管路中的低温绝缘子材料，在温度变化时，因与不锈钢管连接处的热膨胀系数差异，热应力导致绝缘子产生裂纹、分层，这些均会导致低温结构件失效。为此，本项目计划在玻璃纤维增强环氧树脂的基础上，采用具有高负热膨胀系数的无机非金属颗粒进行掺杂改性，利用真空辅助树脂传递模塑成型工艺，制备负热膨胀颗粒掺杂改性玻纤/环氧复合材料，研究其在4.2K至室温温区的热膨胀、电绝缘及力学性能，探讨负热膨胀颗粒改性环氧复合材料与不锈钢界面结合状态对绝缘子低温强韧化、热膨胀行为的影响规律，以期实现绝缘子复合材料低温热膨胀系数的可控制备。为复合材料在大型超导磁体使役环境下应用打好基础.

“ITER大型超导磁体馈线系统用环氧基低温绝缘子材料及低温性能研究”课题进展顺利，完成了规定的研究内容，实现了预期目标。研究成果主要包括：.一、三类负热膨胀颗粒材料的制备及表面改性技术：制备了Mn3(Cu0.6Si0.15Ge0.25)N、ZrW2O8、La(FeSiCo)13负热膨胀材料，发现Mn3(Cu0.6Si0.15Ge0.25)N在190—77K温区具有为负热膨胀特性，平均热膨胀系数（CTE）为-9.5×10-6K-1，钨酸锆在77—300K温区内的平均CTE为-10.5×10-6K-1，La(FeSiCo)13在110-240K的平均CTE达到-26.1×10-6K-1。采用等离子体表面聚合改性方法对负热膨胀材料进行表面处理，提高了其与环氧树脂的相容性。.二、负热膨胀掺杂改性环氧基复合材料及绝缘子制备技术：制备了负热膨胀掺杂改性环氧树脂基复合材料，发现钨酸锆和锰氮化合物含量分别为40%和32%时，复合材料的平均CTE降至17.6×10-6K-1和28.1×10-6K-1，比纯树脂平均CTE（37.9×10-6K-1）减小了53%和26%。以负热膨胀材料改性环氧树脂为基体制备了绝缘子，发现采用30% ZrW2O8改性的树脂基体制备的绝缘子室温-10K的收缩率（0.32%）已接近304L/316L在同温区内的收缩率（0.29%）。.三、绝缘子性能研究：56kV耐压测试表明其低温漏电流小于10µA。绝缘子经50次冷热冲击后低温气密性小于4×10-9Pa•m3/S。研究了机械载荷对其耐高压性及气密性的影响，在依次经受低温下峰值为2kN的拉压载荷、弯矩为100N.m的弯曲载荷、扭矩为100N.m以及拉压疲劳、弯曲疲劳以及扭疲劳各60000次后绝缘子的耐压性能及气密性无变化。.这些研究表明采用负热膨胀颗粒材料改性制备的绝缘子达到了课题预期目标，为未来我国建造超导磁约束聚变堆磁体低温绝缘技术奠定了基础。.结合该项目的研究，培养博士3名，硕士2名，其中已毕业博士2人。在J.Am.Chem.Soc.，Fusion Eng. Design，J. Nuclear Mater.，Comp. Sci. Tech.，Cryogenics等国际重要期刊、会议及国内核心期刊上发表学术论文13篇，其中SCI收录8篇，获得国际CEC-ICMC大会优秀学生论文奖1项，申报国家发明专利1项。