超导磁约束聚变装置用陶瓷基绝缘子材料及低温性能研究

超导磁约束聚变装置液氦低温回路及磁体绝缘要求的绝缘子材料应具有优良的低温力学性能和耐辐照性能，目前的高分子基绝缘子只能满足以前无中子辐照的研究堆的需求，很难满足未来实用聚变堆的需要。本项目拟选用陶瓷材料代替高分子材料，即采用陶瓷/金属焊接方法来制作低温用绝缘子，重点放在研究其4.2K低温高电压绝缘性能、力学性能及带压He气密性与陶瓷/金属界面结构的关联。通过对陶瓷/金属界面结构的研究，优化陶瓷/金属的焊接工艺，获得综合低温力学性能、He气密性及电绝缘性能优异的陶瓷/金属绝缘子。在材料强度/韧度、密封性、绝缘性能、耐温、使用寿命等方面将明显优于玻纤/环氧基高分子复合材料绝缘子。.本项目的研究将为ITER大型聚变装置以及我国拟建的超导Tokamak实验堆绝缘子的结构和材料选择奠定基础。

绝缘子是聚变装置中重要器件，主要起到低温液体冷却流道的作用，同时也是低温系统及部件与磁体高电压系统绝缘的作用。超导磁约束聚变装置液氦低温回路及磁体绝缘要求的绝缘子材料应具有优良的低温力学性能和耐辐照性能，目前的高分子基绝缘子只能满足以前无中子辐照的研究堆的需求，很难满足未来实用聚变堆的需要。本项目采用陶瓷材料代替高分子材料，开展包括陶瓷材料低温高电压绝缘性能、力学性能及带压He气密性等。通过对陶瓷/金属界面结构的研究，优化陶瓷/金属的焊接工艺，获得综合低温力学性能、He气密性及电绝缘性能优异的陶瓷/金属绝缘子。主要研究工作如下和取得的成果如下：. 1.ZrO2基陶瓷材料低温弯曲行为研究：由于低温绝缘子使用过程中除受拉应力外还要承受一定的弯曲力矩，因此需要研究ZrO2基陶瓷材料的低温弯曲性能。对陶瓷材料低温下弯曲性能开展了详细的研究工作，改性后材料弯曲强度可达185MPa。. 2.完成陶瓷材料/Kovar合金以及Invar合金常低温性能测试：完成陶瓷材料、Kovar合金、Invar合金、316L不锈钢材料低温热膨胀系数测试。结果显示Invar合金和陶瓷材料在低温区热膨胀系数比较接近。但考虑到陶瓷材料与合金材料需要在700-800℃进行钎焊焊接，而Invar合金同陶瓷材料在该温区热膨胀系数相差较大，故采用Kovar合金实现与陶瓷材料的焊接。. 3.进行了陶瓷材料同各种合金材料焊接实验：分别完成陶瓷材料与316L不锈钢材料/Kovar合金/Invar合金的钎焊焊接。. 4.对焊接后的界面进行了常/低温He气密性以及机械性能实验：在成功制备出陶瓷绝缘子后对陶瓷绝缘子开展了相关的常/低温实验：常/低温He漏测试、300K-77K冷热循环测试、常/低温力学性能测试等。. 5.环氧基绝缘子改性研究：主要是希望改进型环氧树脂低温性能（力学性能、线胀系数）及抗辐照性能。目前是通过加入负热膨胀材料颗粒调控材料热膨胀系统同时增加材料低温力学性能。通过加入ZrW2O8颗粒可将环氧材料的热膨胀系数减小近5倍。