未来超导磁体用无机纳米颗粒掺杂改性氰酸酯/环氧树脂绝缘材料低温电性能研究

Magnetic confinement nuclear fuison projects and particle accelerators are leading the development of superconducting technoligies with a growing demand on the performance of magnets.Insulating systems play a crucial role in superconducting magnets of fusion reactor and accelerator applications. Comparing to current superconducting magnets using epoxy resin based insulating materials, the future superconducting magnets of magentic confinement fusion reactor and particle accelerator require more serverer manufactruing process and more graver operating conditions, such as excellect electrical insulating properties,low viscosity,long pot-life, moderate cure condition, high glass transition temperature (Tg),low coefficient of thermal expansion over a wide temperature range 4.2-400 K,excellent mechanical and thermal properties, and radiation resistance.We have developed a novel insulation material with low or negative thermal expansion,radiation hardness inorganic nanoparticles modified cyanante ester/epoxy resin blend.Composites of co-wound boron-free fiberglass woven and polyimide tape reinforced inorganic nanofiller/cyanate ester/epoxy resin were fabricated by using vacuum pressure impregnation(VPI). This project proposes systematic investigation of electrical properties,such as electrical breakdown voltage, electrical resistance, dielectric, flasover and Paschen breakdown properties, at both room temperature and low temperature.The influence of inorganic nanoparticles on the electrical properties at both room temperature and low temperature will be interpreted. In addition, the influence of gamma-ray irradiation on the electrical properties will be investigated. The sound database will contribute to design of future superconducting magnets for fusion and accelerator application.

超导磁体广泛应用于磁约束核聚变以及高能加速器领域。绝缘系统是超导磁体必不可少的一个关键部分。针对磁约束聚变堆及高能加速器超导磁体系统对其绝缘绝缘系统的新要求，如优良的电性能、宽温区低热膨胀、低粘度长适用期、高玻璃化温度、宽温区优良综合力、热性能以及耐辐照等性能，我们设计了一种采用低（或负）热膨胀、耐辐照无机纳米颗粒改性氰酸酯/环氧树脂的新型绝缘材料体系并采用真空压力浸渍制备了玻璃纤维布/聚酰亚胺膜增强无机纳米颗粒/氰酸酯/环氧树脂基多层结构复合材料。本项目拟研究这些新型绝缘材料的电绝缘性能，包括室温及低温电击穿强度、电阻、介电、沿界面闪络特性以及低温/低气压环境下的Paschen放电特性和规律；探索无机纳米颗粒对绝缘材料室温及低温电性能的影响机理；探索伽马射线辐照对相应电性能的影响规律。获得新型绝缘材料的相关基础数据，为未来磁约束聚变堆及加速器超导磁体设计提供参考。

针对未来磁约束热核聚变及高能加速器等对高场超导磁体绝缘系统的需要，如优良低温力学、热及电性能，耐伽马射线辐照等，本项目研究了ZrW2O8负热膨胀材料/玻璃纤维/聚酰亚胺增强氰酸酯/环氧树脂基多层结构绝缘复合材料的制备方法以及低温力、热、电及耐辐照性能。具体包括研究了ZrW2O8、La(Fe,Co,Si)13系等负热膨胀微纳米材料制备及热膨胀性能；研究了ZrW2O8、La(Fe,Co,Si)13系等负热膨胀微纳米改性环氧树脂/氰酸酯复合材料制备及性能；研究了无机微纳米ZrW2O8颗粒/玻璃纤维布/聚酰亚胺膜/氰酸酯/环氧树脂基多层结构绝缘复合材料的制备方法；研究了多层结构绝缘复合材料的低温力学、热及电性能；研究了不同剂量伽马射线辐照对多层结构绝缘复合材料低温力、热及电性能影响规律。项目通过多种方法制备了具有低温宽温区负热膨胀性能的ZrW2O8、La(Fe,Co,Si)13等微纳米材料，研究了负热膨胀微纳米材料对环氧树脂/氰酸酯树脂基体的热膨胀调控规律。随后通过不同方法制备了ZrW2O8负热膨胀材料/玻璃纤维/聚酰亚胺增强氰酸酯/环氧树脂基多层结构绝缘复合材料，并对比研究了传统先将无机微纳米材料分散入树脂基体后真空压力浸渍入玻纤/聚酰亚胺叠层结构制备方法和“负载后浸渍”后浸渍即先将无机微纳米材料负载在玻纤后利用真空压力浸渍制备方法。研究了多层结构低温（液氦及液氮温区）拉伸、压缩、层间剪切等力学性能，低温耐电击穿强度、沿面闪络特性及Paschen放电特性等电性能以及各向异性4.2-300 K温区热膨胀性能，结果表明该多层结构绝缘复合材料上述各项指标满足当前ITER对绝缘系统设计要求。此外，还研究了不同剂量伽马射线辐照对多层结构绝缘复合材料低温层间剪切强度以及电性能的影响。结果表明10 MGy剂量内伽马射线辐照对多层结构绝缘复合材料前述相关性能影响较小。项目研发的多层结构绝缘复合材料制备方法及多层结构绝缘复合材料为未来聚变用高场超导磁体（如设计中的中国工程聚变实验堆（CFETR））绝缘系统设计提供了参考。