环氧树脂增韧剂迁移对超导磁体低温绝缘特性的影响机制

The toughening epoxy resin can be used as insulating material under cryogenic temperature (≤77K), however, the influence mechanism of toughening agent migration slowly on the cryogenic electrical insulating characteristic of epoxy resin curing system is not clearly. As a result, there exists security risks in practical engineering application. For the cryogenic electrical insulating characteristic degradation of superconducting magnet because of toughening agent migration, the influence law of toughening agent migration on electrical breakdown, partial discharge and Paschen discharge characteristics of epoxy resin curing system will be investigated. In addition, the influence law of toughening agent migration on stress and microstructure characteristics of epoxy resin curing system will be investigated. As a result, the influence mechanism of toughening agent migration on the cryogenic electrical insulating characteristic of epoxy resin curing system is revealed. To maintain stable microstructure and cryogenic electrical insulating characteristic of toughened epoxy resin curing system under long term service conditions, taking the bisphenol A and bisphenol F epoxy resin as the researching objects, selection of suitable toughening agent, optimization of epoxy resin formulation and improvement of curing process of epoxy resin will be performed. All the work will be done aims at improving the cryogenic electrical insulating characteristic of superconducting magnet. Furthermore, which will provide useful reference for industrial applications of superconducting technology.

增韧环氧树脂虽然能在低温(≤77K)下作为绝缘材料使用，但增韧剂缓慢迁移对其低温绝缘特性的影响机制尚不清楚,在实际工程应用中存在安全隐患。本项目针对增韧剂迁移造成超导磁体低温绝缘性能劣化问题，通过研究增韧剂迁移对环氧树脂固化体系电击穿特性、局部放电特性、帕邢放电特性的影响规律，以及通过进一步研究增韧剂迁移对环氧树脂固化体系应力特性、微观组织特性的影响规律，揭示增韧剂迁移对环氧树脂固化体系低温绝缘特性的影响机制；以双酚A、双酚F环氧树脂为研究对象，通过选择合适种类的增韧剂、优化环氧树脂体系配方、优化增韧剂含量、改进环氧树脂固化工艺，达到在长期服役条件下保持增韧环氧树脂固化体系微观结构稳定以及保持低温绝缘特性稳定的目的，为工程上提高超导磁体的低温绝缘性能以及推进超导技术的产业化应用提供有益的参考。

增韧环氧树脂虽然能在低温(≤77K)下作为绝缘材料使用，但超导磁体系统在热烘烤条件下会造成固化体系中增韧剂分布均匀性变差，增韧剂迁移引起固化体系的抗拉伸力学性能下降。本项目以国产双酚A环氧树脂(E-51)、固化剂(GY-051)、奇士增韧剂、硅烷偶联剂(KH-560)合成了低温电绝缘用途的增韧环氧树脂体系，并且制作了用于电性能测试、力学性能测试、微观结构观察、红外光谱分析以及热分解实验的试件，实验结果表明：增韧环氧树脂在经历了50次从77 K (液氮温度)~298 K (室温)的冷热循环之后微观结构稳定、极限抗拉强度为63.3 MPa。针对经历了50次从77 K~298 K的冷热循环的增韧环氧树脂制作的试件在空气气氛、125℃条件下开展了进一步的烘烤处理，当烘烤时间为120h情况下固化体系的微观结构稳定，介电强度不低于52kV/mm，极限抗拉强度为49.02MPa,因此经过120h烘烤之后固化体系的极限抗拉伸强度下降22.55%；当烘烤时间为480h情况下固化体系的微观结构发生显著变化，此时固化体系中存在化学键断裂并生成苯酚和醌等物质，而抗拉伸强度下降至烘烤前的25%；进一步烘烤至1200h情况下固化体系的微观结构发生较大变化，增韧剂颗粒中出现空洞，并且固化体系中增韧剂分布均匀性严重下降和出现团聚现象。采用合成的环氧树脂体系成功研制了用于国际热核实验堆（ITER）的低电压绝缘子、电流引线终端电加热器以及用于EAST装置绝缘升级的高性能绝缘子，保障了中国承担的ITER绝缘项目高质量按期完成以及EAST装置科学实验的正常进行并获得上亿度高温等离子体。此外，项目研究成果已成功用于研制用于生长电子级单晶硅的单晶炉，直径385mm、纯度99.999999999%（11N）的单晶硅棒已初步实现量产。通过本项目的实施不仅积累了低温电绝缘胶的核心几乎，还初步实现了产业化应用。