一种用于超导磁体热处理后玻璃纤维表面改性及绝缘增强方法

1.本发明涉及超导磁体绝缘技术领域，具体涉及层绕nb3sn超导磁体热处理后绝缘用玻纤织物的表面改性及与环氧树脂形成的复合绝缘材料力学强度增强方法，更具体地涉及一种用于超导磁体热处理后玻璃纤维表面改性及绝缘增强方法。


背景技术：

2.超导体具有无阻载流能力及抗磁性等特点，在能源、科学仪器、国防和大科学工程等方面具有重要的应用。相比于nbti超导体，nb3sn超导体具有良好的电磁特性，其临界温度在18k附近，上临界磁场高达20至30t。因此nb3sn超导磁体可用于产生高磁场，被广泛应用于核聚变装置、高能加速器，稳态强磁场装置等。
3.超导磁体绝缘结构是超导磁体的重要部件，具有机械支撑、阻止导体之间的电气连接、保护绕组等作用，它的质量和稳定性将直接影响磁体的运行安全。超导磁体绝缘要求具有很强的力学性能，单一的树脂固化后机械强度低，因此磁体绝缘通常采用玻璃纤维作为增强材料来提高整体绝缘的力学性能。玻璃纤维的加入不仅能够使绝缘结构显示出较高的抗张强度和刚度，还能减小收缩，提高热低温变化对绝缘的冲击强度。
4.对于大型层绕nb3sn超导磁体，常采用“wind-react-insulation”工艺制造，即先在nb3sn超导磁体表面完成匝间或层间绝缘玻璃纤维的包绕及线圈绕制，然后进行热处理反应，最后使用真空压力浸渍环氧树脂技术用固化nb3sn超导线圈。在该制造工艺过程中，nb3sn超导磁体的绝缘玻璃纤维材料必须能够承受线圈的长时间高温热处理，热处理的最高温度约650℃。
5.经过650℃热处理工艺后，清除了涂覆在玻纤织物的浸润剂及柔顺剂等有机物，玻纤织物的力学强度显著降低并变脆，同时也降低了玻璃丝布与环氧树脂的界面结合力，影响玻纤织物与环氧树脂形成的复合绝缘材料的力学性能。
6.目前，超导磁体热处理后玻纤表面改性及绝缘增强工艺尚无可参考的工程经验。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种用于超导磁体热处理后玻璃纤维表面改性及绝缘增强方法，玻璃纤维经过高温热处理，通过真空压力浸渍低沸点浸润剂进行浸润，提高玻璃纤维抗拉强度，增强了与环氧树脂的结合力，提升了环氧树脂与玻璃纤维的复合绝缘材料的力学性能。
8.本发明采用如下技术方案：
9.一种用于超导磁体热处理后玻璃纤维表面改性及绝缘增强方法，包括以下步骤：
10.步骤(1)，对热处理后的超导磁体玻璃纤维进行浸润剂处理；其中，所述超导磁体玻璃纤维包覆于超导磁体外部；
11.步骤(2)，真空或常压环境下烘干超导磁体玻璃纤维上的浸润剂；
12.进一步地，所述的浸润剂为环氧基、氨基或酚基硅烷与醇或去离子水的混合溶液。
例如，所述环氧基、氨基或酚基硅烷为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
13.进一步地，所用的低沸点浸润剂，其中浸润剂的浓度为0.02～5wt％，处理温度为20～40℃，处理时间为0.01～3h。浸润剂溶液的ph值控制在4左右。
14.进一步地，所用的浸润剂注入处理方法，采用真空压力浸渍方法。
15.进一步地，所述的真空或常压下挥发玻璃纤维表面多余溶液，浸润剂活化温度范围为100-120℃，处理时间1～3h。
16.进一步地，所述浸润剂中，环氧基、氨基或酚基硅烷的浓度为0.2-3wt％。例如，所述浸润剂中，环氧基、氨基或酚基硅烷的浓度为0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％、2wt％、2.1wt％、2.2wt％、2.3wt％、2.4wt％、2.5wt％、2.6wt％、2.7wt％、2.8wt％、2.9wt％或3wt％。
17.具体地，本发明通过以下技术方案实现的：
18.具体地，本发明提供了一种用于超导磁体热处理后玻璃纤维表面改性及绝缘增强方法，通过控制温度和时间等条件，优化浸渍处理工艺，使得硅烷溶液与玻璃纤维反应，吸附在玻璃纤维表面，经过真空或常压环境下烘干后，起到增强力学强度的效果，经过二次浸润处理后的玻璃纤维抗拉强度能增加20％，与环氧树脂真空浸渍形成的复合绝缘材料剪切强度增加20％以上。真空压力浸渍浸润剂的装置如图1所示，由浸润容器、混液罐、温度传感器及真空机组组成。
19.操作过程如下：
20.1)磁体吊装：将包绕有玻璃纤维的超导磁体热处理后，吊装到浸润的容器中，使用真空机组将容器抽真空，真空度在0.1-1pa之间。
21.2)配制硅烷溶液：按一定质量比分别称量无水乙醇与去离子水和硅烷偶联剂。将无水乙醇与去离子水的混合溶液ph值控制在4左右，加热到30℃后，将硅烷偶联剂倒入到混胶罐溶液中，进行搅拌，形成浓度为0.2-3wt％的硅烷溶液。
22.3)浸渍注入：打开控制阀门，将硅烷溶液注入浸润容器中，液面超过超导磁体的高度，即将超导磁体完全浸泡在硅烷溶液中，放置时间1小时，在此期间监测溶液温度，控制溶液温度在30℃。
23.4)磁体干燥：将浸泡后的超导磁体取出，在烘箱中进行干燥，处理温度为105℃，处理时间为1-3h。
24.通过控制温度和时间等条件，优化浸渍处理工艺，使得硅烷溶液与玻璃纤维反应，吸附在玻璃纤维表面，经过真空或常压环境下烘干后，起到增强力学强度的效果，经过二次浸润处理后的玻璃纤维抗拉强度能增加20％，与环氧树脂真空浸渍形成的复合绝缘材料剪切强度增加20％以上。
附图说明
25.图1超导磁体真空压力浸渍浸润剂的装置结构示意图。
26.图中，1-超导磁体；2-浸润容器；3-温度传感器；4-混液罐；5-ph计；6-温度传感器；7-控制阀门；8-真空机组。
具体实施方式
27.下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
28.图1为超导磁体真空压力浸渍浸润剂的装置结构示意图。具体包括超导磁体1，浸润容器2，混液罐4，真空机组8，ph计5和温度传感器3。其中超导磁体1放置在浸润容器2中，浸润容器2顶部装有温度传感器3用来监测超导磁体1浸润处理过程中浸润容器2内的溶液温度。混液罐4与浸润容器2通过管道连接，管道上装有控制阀门7以控制液体流动。混液罐4装有温度传感器6和ph计5，用于测量浸润剂溶液的温度和ph值。真空机组8与浸润容器2连接。
29.本发明通过以下技术方案实现的：
30.本发明提供了一种用于超导磁体热处理后玻璃纤维表面改性及绝缘增强方法，通过控制温度和时间等条件，优化浸渍处理工艺，使得硅烷溶液与玻璃纤维反应，吸附在玻璃纤维表面，经过真空或常压环境下烘干后，起到增强力学强度的效果，经过二次浸润处理后的玻璃纤维抗拉强度能增加20％，与环氧树脂真空浸渍形成的复合绝缘材料剪切强度增加20％以上。真空压力浸渍浸润剂的装置如下图所示，由浸润容器、混液罐、温度传感器及真空机组组成。
31.操作过程如下：
32.1)磁体吊装：将包绕有玻璃纤维(厚度1-3mm)的超导磁体热处理(热处理包括：依次进行下列处理210℃保温48小时、400℃保温48小时和650℃保温50小时)后，吊装到浸润的容器中，使用真空机组将容器抽真空，真空度在0.1-1pa之间。
33.2)配制硅烷溶液：按一定质量比分别称量无水乙醇与去离子水和硅烷偶联剂。将无水乙醇与去离子水的混合溶液ph值控制在4左右，加热到30℃后，将硅烷偶联剂倒入到混胶罐溶液混液罐中，进行搅拌，形成浓度为0.2-3wt％的硅烷溶液。
34.3)浸渍注入：打开控制阀门，将硅烷溶液注入浸润容器中，液面超过超导磁体的高度，即将超导磁体完全浸泡在硅烷溶液中，放置时间1小时，在此期间监测溶液温度，控制溶液温度在30℃。
35.4)磁体干燥：将浸泡后的超导磁体取出，在烘箱中进行干燥，处理温度为105℃，处理时间为1-3h。
36.实施例1
37.使用天平按无水乙醇和去离子水混合溶液与硅烷的质量比是49:1分别称量无水乙醇与去离子水和硅烷偶联剂。将无水乙醇水溶液水浴加热到30℃后，使用冰醋酸控制溶液ph值为4左右，将kh560硅烷偶联剂(即γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)倒入到溶液中，进行搅拌，形成浓度为1wt％的硅烷溶液。将包绕有玻纤织物(厚度3mm,所述玻纤织物为玻璃丝带)的不锈钢板样件(材料304不锈钢，尺寸300*300*10mm)高温热处理(所述热处理为：首先210℃保温48小时，接着400℃保温48小时，然后650℃保温50小时，氩气气氛热处理)后浸泡在硅烷溶液中。浸泡时间1小时后，将样件放在烘箱里干燥，处理温度为105℃，处理时间为1h。
38.将处理后的样件与环氧树脂(环氧树脂为gy285)进行真空压力浸渍，形成环氧树
脂与玻纤织物的复合绝缘结构，对该复合绝缘结构进行绝缘电学及力学性能测试。环氧树脂与玻纤织物的复合绝缘结构制备方法如下：第1步，烘烤脱气。注胶罐升温至105℃，该条件下维持7h，保温4h时开始抽真空；第2步，降温阶段。注胶罐降温至40℃，该条件下维持10h，注胶罐的注胶口真空度达到《50pa。第3步：注胶阶段。将所述处理后的样件置于注胶罐中，注入环氧树脂gy285，进行真空压力浸渍，环氧树脂gy285完全浸没所述样件。真空压力浸渍的条件为：注胶罐的温度为40℃，注胶罐的真空度40pa，总浸渍时间10h。第4步：凝胶固化阶段。浸渍完成后，注胶罐接着升温至90℃保温10h，然后130℃保温15h，每个温度梯度升温速率为10℃/h。然后反向加压0.25mpa，保压至降温结束。固化完成后，自然降温至80℃(降温速率《10℃/h)。
39.将浸润处理的样件表面包绕的玻璃丝带玻纤织物取样参考gb/t 7689.5-2001进行拉伸测试(拉伸测试的设备为万能电子试验机，厂家长春试验机研究所，型号css-2202)，带材的强力由280n提升至335n，复合绝缘材料的在77k力学测试下，拉伸强度372mpa(与未进行硅烷浸润(未进行硅烷浸润是指，样件表面包绕的玻璃丝带玻纤织物除未进行硅烷浸润处理之外，其它均相同，测试方法也相同)相比提升了22％)，层间剪切65mpa(与未进行硅烷浸润(未进行硅烷浸润是指，样件表面包绕的玻璃丝带玻纤织物除未进行硅烷浸润处理之外，其它均相同，测试方法也相同)相比提升了20％)。
40.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。