一种用于托卡马克大尺寸不规则绝缘填充材料及填充工艺的制作方法

1.本发明涉及核聚变装置工程制造技术领域，具体涉及一种用于托卡马克大尺寸不规则绝缘填充材料及填充工艺。


背景技术：

2.磁体线圈系统属于托卡马克装置主机的核心部件，对于中型或大型托卡马克装置，磁体线圈运行电流可达到几兆安，形成的磁场可达几特斯拉，在实验运行期间磁体线圈将受到巨大的电磁载荷，而磁体线圈需要支撑结构承受并传递载荷，这给托卡马克装置支撑结构的设计带来了巨大挑战。一般对于短脉冲实验的托卡马克装置来说，磁体线圈传递给支撑结构的载荷主要为冲击载荷，因此支撑结构与磁体线圈之间需要设计一层具有较高强度、较高电气绝缘性能的缓冲材料，通过该层材料的可控变形适当降低电磁负载对磁体线圈及其支撑结构的影响。另一方面，大型磁体线圈系统由于其工艺性限制，线圈表面多为圆弧形轮廓并且很难获得理想的表面轮廓，较大的尺寸及轮廓偏差要求在设计上考虑好足够的垫层余量，为此在磁约束聚变工程领域十分需要一种可适应大尺寸不规则形状的绝缘结构填充材料。
3.在以往的托卡马克装置设计建造中，通常采用电木或橡胶等作为绝缘垫层和缓冲材料。该类材料虽可以满足磁体线圈与支撑结构的电气绝缘需求，但电木或橡胶等材料的承载能力不高，对于特殊形状的填充区域的可适应性差，很难将磁体线圈与支撑结构之间的间隙填充均匀。而对于橡胶材料，其耐侯性和耐热性能均不理想，在周期性热负载条件下橡胶很容易老化失效，造成磁体线圈与支撑结构之间间隙增大，使得磁体线圈振动增强，危害到磁体线圈的匝间绝缘，对托卡马克装置安全性造成不利影响。
4.对于托卡马克装置磁体线圈绝缘制造工艺，通常还采用真空浸渍实施工艺，聚变工程也存在采用该方法进行绝缘填充的经验。但该方法对施工环境要求苛刻，需要提前对待成形部件制造模具进行密封，对于不规则形状填充难度很大。另一方面该工艺环氧材料固化产热较难控制，若绝缘填充材料固化温度超过线圈绝缘温度，同样会造成线圈匝间绝缘的失效。此外真空浸渍采用的环氧在固化后强度不高，并不适用于做支撑结构件使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于托卡马克大尺寸不规则绝缘填充材料及填充工艺，以解决现有的填充材料无法适应托卡马克装置中不规则填充区域的需求，以及现有的填充工艺填充难度大的问题。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.本发明的第一个目的在于提供了一种应用于托卡马克大尺寸不规则绝缘填充材料，包括如下重量份的组分：环氧树脂100份，固化剂20～40份，增强纤维50～60份，无机填料50～60份，阻燃剂8～10份。
8.可选地，所述环氧树脂应具有低粘度、能常温固化、力学性能良好的特点，优选地，
环氧树脂为der383双酚a环氧树脂或der351双酚f低粘度环氧树脂；
9.所述固化剂应具有固化时间适中、固化产热较低的特点，优选地，固化剂为jh-5280改性胺固化剂或ek3115a聚酰胺固化剂；
10.所述增强纤维应具有良好的环氧树脂浸润性、较高的强度等特点，优选地，增强纤维为长度6.0
±
1.5mm无碱玻璃纤维短切纱；
11.所述无机填料应具有较好的绝缘性能和良好的环氧树脂浸润性等特点，优选地，无机填料为氢氧化铝粉；更优选地，无机填料为23μm(约800目)的氢氧化铝粉。
12.所述阻燃剂为磷腈阻燃剂。
13.本发明得到的填充材料的力学性能、电气绝缘性能和固化温度提升情况如下：
14.垂直层向弯曲强度：79mpa；
15.弯曲弹性模量：12.1gpa；
16.压缩强度：163mpa；
17.平行层向击穿电压：54.8kv；
18.热变形温度：71℃。
19.该力学性能、电气绝缘性能和固化温度满足磁体线圈与支撑结构的电气绝缘需求以及承载需求，且在周期性热负载条件下本发明的填充材料不易老化失效。且利用该填充材料填充后形成的绝缘结构填充体不同于电木及橡胶，该绝缘结构填充体为软质体，对填充空间适应性强、填充空隙率低，满足大尺寸、不规则的填充区域的绝缘填充需求，实现均匀填充。从而保证磁体线圈系统在整个实验周期可以将电磁载荷有效的传递至支撑结构，保证磁体线圈系统及托卡马克主机安全运行。
20.本发明的第二个目的在于提供一种应用于托卡马克大尺寸不规则绝缘填充工艺，包括如下步骤：
21.(1)制作填料；
22.(2)制作密封袋，密封袋预留有一开口作为填料口，密封袋上有注入口、排出口；
23.(3)将步骤(1)的填料由填料口装入密封袋中，装袋完成后对填料口进行热密封，然后将密封袋装至待填充区域；
24.(4)由注入口向袋内注入环氧树脂；
25.(5)袋内环氧固化，实时监测固化温度；
26.(6)固化完成后进行脱模，将形成的绝缘结构填充体安装至填充区域；
27.所述填料为固化剂、增强纤维、无机填料、阻燃剂的混合物，所述环氧树脂、固化剂、增强纤维、无机填料、阻燃剂的重量份比值为100：20～40：50～60：50～60：8～10。
28.本发明通过此填充工艺，代替现有的常规真空浸渍实施工艺，无需提前对待成形部件制造模具进行密封，大大简化了填充过程，降低了工艺实施难度，尤其降低了对于不规则形状的填充难度。该工艺填充空隙率低，均匀填充，满足大尺寸、不规则的填充区域的绝缘填充需求。
29.可选地，在向袋内注入环氧树脂的过程中，注入口连接环氧树脂盛装容器，排出口连接真空容器，真空容器连接真空泵组，形成真空系统，所述真空系统的真空度优于50pa，保证环氧树脂的浸润效果。
30.可选地，所述环氧树脂固化时间为1～3天，固化过程中监测固化温度小于等于75
℃；该固化温度不超过线圈的绝缘温度，不会造成线圈匝间绝缘的失效，相比于现有的用于托卡马克的环氧材料的固化产热难控制、绝缘填充材料的固化温度存在超过线圈绝缘温度而造成线圈匝间绝缘的失效风险，本发明采用的填充材料的固化产热可控。
31.可选地，在装至填充区域内的密封袋与结构件之间增设薄膜，在袋脱模过程中取出薄膜。设置薄膜易于绝缘填充袋(即密封袋)的脱模和保护。
32.可选地，所述密封袋与薄膜均采用聚乙烯，所述密封袋的厚度为0.15mm，所述薄膜的厚度为0.05mm。
33.可选地，所述步骤(3)中，若待填充区域需要加载，在所述待填充区域处安装预紧零部件后，再进行填料的装入，以对密封袋进行预加载；
34.在将绝缘结构填充体安装至填充区域后，在填充区域处进行加载。
35.可选地，所述对密封袋进行预加载时，预紧力设计根据工作载荷情况进行设定。
36.可选地，所述环氧树脂为der383双酚a环氧树脂或der351双酚f低粘度环氧树脂；
37.所述固化剂为jh-5280改性胺固化剂或ek3115a聚酰胺固化剂；
38.所述增强纤维为长度6.0
±
1.5mm无碱玻璃纤维短切纱；
39.所述无机填料为氢氧化铝粉；
40.所述阻燃剂为磷腈阻燃剂。
41.本发明通过改变填充工艺，调整填充材料配方，并控制环氧树脂的浸润条件、环氧树脂固化时间及监控固化温度，同时还设置薄膜，以及进行密封袋的预加载，确保最终获得的绝缘填充件具有足够的抗压强度、电气绝缘性能、较好的防水性和耐侯性，并可以适应大尺寸、不规则形状区域的填充。
42.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
43.本发明的一种用于托卡马克大尺寸不规则形状绝缘结构填充材料可广泛应用于聚变工程领域大尺寸、不规则形状区域的填充。本发明所述的实施工艺具有空间适应性强、环境影响小、填充孔隙率低的特点，同时填充后的绝缘结构填充件具有足够的抗压强度、电气绝缘性能、较好的防水性和耐侯性等特点。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
45.图1为本发明实施例提供的填充区域绝缘填充工艺的流程图；
46.图2为本发明实施例提供的填充区域绝缘填充工艺实施示意图；
47.图3为本发明实施例提供的填充区域绝缘填充工艺中密封袋的结构示意图；
48.图4为tf线圈中心柱下横段与pf支撑基础板之间相配合的三维结构示意图；
49.图5为tf线圈中心柱下横段与pf支撑基础板之间相配合的二维截面示意图；
50.图6为tf线圈中心柱下横段与楔形键之间相配合的结构示意图；
51.图7为tf线圈外弧段与推力块之间相配合的结构示意图；
52.附图中各部件及对应的标记为：
53.1-真空泵组，2-真空容器，3-所需填充的相邻结构件，4-绝缘结构填充区域，5-密封袋，6-环氧树脂盛装容器，7-密封袋热密封线，8-密封袋折边，9-填充袋环氧树脂注入口，10-填充袋环氧树脂排出口，11-pf支撑基础板，12-tf线圈中心柱下横段，13-tf线圈中心柱下横段与pf支撑基础板之间绝缘结构材料填充区域，14-下楔形键连接垫板，15-下楔形键，16-pf支撑基础板连接紧固件，17-tf线圈中心柱下横段与楔形键之间绝缘结构材料填充区域，18-tf线圈外弧段，19-下推力块，20-下推力杆，21-tf线圈外弧段与推力块之间绝缘结构材料填充区域。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
55.为了解决现有适用于托卡马克装置中大尺寸、不规则填充区域的填充，采用如图1中所示的工艺流程，按照如下的填充工艺进行：
56.步骤1：在清洁的不锈钢容器中依次称重放入固化剂、增强纤维、无机填料和阻燃剂，充分搅拌均匀；
57.步骤2：根据绝缘结构填充区域，制作密封袋，根据需求采用热封机将三侧进行热密封，一侧作为填料口使用。热封之前需要考虑好环氧树脂的注入口和排出口，热封过程制作出环氧树脂的注入口和排出口；
58.步骤3：将步骤1混合均匀的填料装入步骤2制作好的密封袋中，将密封袋装至待填充区域，可使用工具对填充材料装袋压实，装袋完成后对填料口折口热密封。进一步的，若填充区域需要加载，可安装预紧零部件，对密封袋进行预加载，检查密封袋是否完好；
59.步骤4：使用软管将密封袋的注入口连接装有环氧树脂的容器，另一侧连接真空容器，该真空容器与真空泵组相连，将所有连接位置和密封袋进行气密性检查；
60.步骤5：开启真空泵组，观察填充袋(即密封袋)内环氧树脂的浸润情况，待袋内环氧浸润充分后，关闭真空泵组，拆除注入口和排出口的软管并密封填充袋，注意拆卸过程对现场环境的保护；
61.步骤6：填充袋内环氧固化，监控记录填充袋温度情况；
62.步骤7：待填充材料完全固化后，拆卸预加载零部件，对绝缘填充袋内环氧的浸润情况进行检查，并取样进行性能检查；
63.步骤8：对固化后的绝缘填充袋进行修边，完成修边后重新进行安装和加载。
64.其中，密封袋为聚乙烯(pe)材质，密封袋厚度应足够。密封袋的制造应根据填充区域的尺寸、形状制造，对密封袋热密封后对无效结构进行裁边，最后检查密封袋的密封性能。
65.步骤3中，可在密封袋与结构件之间增加一层薄膜，该薄膜可采用聚乙烯(pe)材质，易于绝缘填充袋的脱模和保护。
66.步骤4中，容器内的环氧树脂要求即开即用，抽出后的环氧树脂不可重复使用。
67.步骤5中，系统真空度应优于50pa，保证环氧树脂浸润效果。
68.步骤6中，环氧树脂固化时间为1-3天，填充袋温度监控不得高于75℃。
69.步骤7中，取样检测其抗折强度应大于20mpa，抗压强度应大于90mpa，取样检测击穿电压应大于30kv(5mm)，其浸水后表面绝缘电阻应大于50kω。
70.其中，填充工艺各部件的结构关系如图2中所示，在需填充的两个相邻结构件3之间为绝缘结构填充区域4，密封袋5装在填充区域4内，环氧树脂盛装容器6连通密封袋2上的注入口，真空容器2连通密封袋上的排出口，真空容器2连通真空泵组1。
71.密封袋的具体结构见图3所示，如图3中示出了密封袋热密封线7、密封袋折边8、填充袋环氧树脂注入口9以及填充袋环氧树脂排出口10。
72.以下通过介绍该填充工艺在托卡马克装置中不同的填充区域，以对该工艺方法有更加清楚的了解。
73.实施例1：tf线圈中心柱下横段与pf支撑基础板之间绝缘结构材料填充
74.如图2、3、4、5所示，进行tf线圈中心柱下横段12与pf支撑基础板11之间绝缘结构材料填充。
75.tf线圈中心柱下横段12是tf线圈中心柱的部分结构，环向均匀分布为20饼线圈，在相邻两组tf线圈中心柱下横段12之间，安装有下楔形键15和下楔形键连接垫板14，下楔形键连接垫板14上方安装4组pf支撑基础板11，通过pf支撑基础板连接紧固件16将pf支撑基础板11、下楔形键连接垫板14、下楔形键15和下方支撑结构进行连接，在pf支撑基础板11与tf线圈中心柱下横段12之间形成了tf线圈中心柱下横段与pf支撑基础板之间绝缘结构材料填充区域13。依次完成以上结构件安装后，对该区域开展绝缘结构材料的填充。
76.1)测量并对照图纸，设计tf线圈中心柱下横段与pf支撑基础板之间绝缘结构材料填充区域13的扇形密封袋结构；
77.2)按照设计的密封袋结构使用热封机对三侧进行热密封，一侧作为填料口使用。热封之前需要考虑好环氧树脂的注入口和排出口，热封过程制作出环氧树脂的注入口和排出口，密封袋结构形式可参考图3，但需综合考虑施工环境设计制造注入口和排出口；
78.3)按照填充材料配方，在清洁的不锈钢容器中依次称重放入固化剂30份，增强纤维55份，无机填料55份，阻燃剂9份，充分搅拌均匀；
79.4)将混合均匀的填料装入制作好的密封袋中形成填充袋，注意临时扎住环氧树脂的注入口和排出口，在tf线圈中心柱下横段12上方铺垫一层薄聚乙烯薄膜，将填充袋放置于tf线圈中心柱下横段12上方，使用工具将填充袋上方擀平，将多余填充材料擀至内外两侧；
80.5)预安装pf支撑基础板11，要求pf支撑基础板11与下楔形键连接垫板14和下楔形键15配合良好，pf支撑基础板11与下方填充袋配合良好，若配合不好需重复使用工具将填充袋调整擀平；
81.6)调整填充袋两侧环氧树脂的注入口和排出口，使抽气软管易于安装并易于密封，热密封填充袋；
82.7)安装pf支撑基础板11，根据预紧力要求，对pf支撑基础板连接紧固件16进行预加载；
83.8)使用软管将填充袋注入口连接环氧树脂盛装容器6，另一侧连接真空容器2，真空容器2与真空泵组1相连，对所有连接位置和填充袋进行气密性检查；
84.9)开启真空泵组1，观察填充袋内填料的浸润情况，待填充袋内环氧浸润充分后，
关闭真空泵组1，拆掉填充袋注入口和排出口软管并密封填充袋，注意拆卸过程对现场环境的保护；
85.10)等待填充袋内环氧固化，监控记录填充袋温度情况；
86.11)待绝缘结构填充材料完全固化后，拆卸pf支撑基础板11，对绝缘填充袋内环氧的浸润情况进行检查，并取样进行性能检查；
87.12)拆除固化后的绝缘结构填充袋及预铺的一层薄聚乙烯薄膜，对固化后的绝缘结构填充体进行修边；
88.13)上述力学性能和绝缘性能检测达标后，对完成修边固化后的绝缘结构填充体安装至原位，正式安装pf支撑基础板11，并根据预紧力要求，对pf支撑基础板连接紧固件16进行正式施加预紧力。
89.该实施例中，取样检测形成的绝缘结构填充体的性能，测试结果为：
90.垂直层向弯曲强度：79mpa；
91.弯曲弹性模量：12.1gpa；
92.压缩强度：163mpa；
93.平行层向击穿电压：54.8kv；
94.热变形温度：71℃。
95.实施例2：tf线圈中心柱下横段与楔形键之间绝缘结构材料填充
96.如图2、3、4、5所示，进行tf线圈中心柱下横段与楔形键之间绝缘结构材料填充。
97.tf线圈中心柱下横段12与下楔形键15之间位置关系同实例1，在此不再赘述。预安装完成后，在tf线圈中心柱下横段12与下楔形键15之间，形成tf线圈中心柱下横段与楔形键之间绝缘结构材料填充区域17，需要对此区域填充绝缘结构材料，具体实施方式如下：
98.1)测量并对照图纸，设计tf线圈中心柱下横段与楔形键之间绝缘结构材料填充区域17的矩形密封袋结构；
99.2)按照设计的密封袋结构，使用热封机对三侧进行热密封，一侧作为填料口使用。热封之前需要考虑好环氧树脂的注入口和排出口，热封过程制作出环氧树脂的注入口和排出口，密封袋结构形式可参考图2，但需综合考虑施工环境设计制造注入口和排出口；
100.3)按照填充材料配方，在清洁的不锈钢容器中依次称重放入固化剂30份，增强纤维55份，无机填料55份，阻燃剂9份，充分搅拌均匀；
101.4)将混合均匀的填料装入制作好的密封袋中形成填充袋，注意临时扎住环氧树脂的注入口和排出口，在填充袋外侧套装一层薄聚乙烯薄膜，注意预留注入口和排出口。将填充袋安装至tf线圈中心柱下横段与楔形键之间绝缘结构材料填充区域17，使用工具适当添加填充材料并对填充材料压制紧实，热密封填充袋；
102.5)调整填充袋两侧环氧树脂的注入口和排出口，使抽气软管易于安装并易于密封，热密封填充袋；
103.6)使用软管将填充袋注入口连接环氧树脂盛装容器6，另一侧连接真空容器2，真空容器2与真空泵组1相连，对所有连接位置和填充袋进行气密性检查；
104.7)开启真空泵组1，观察填充袋内填料的浸润情况，待填充袋内环氧浸润充分后，关闭真空泵组1，拆掉填充袋注入口和排出口软管并密封填充袋，注意拆卸过程对现场环境的保护；
105.8)等待填充袋内环氧固化，监控记录填充袋温度情况；
106.9)待绝缘结构填充材料完全固化后，拆卸下楔形键15，对绝缘填充袋内环氧的浸润情况进行检查，并取样进行性能检查；
107.10)拆除固化后的绝缘结构填充袋及预铺的一层薄聚乙烯薄膜，对固化后的绝缘结构填充袋进行修边；
108.11)上述力学性能和绝缘性能检测达标后，重新安装下楔形键15，对完成修边固化后的绝缘结构填充袋安装至原位。
109.该实施例中，形成的绝缘结构填充体取样检测性能要求为：抗折强度应大于20mpa，抗压强度应大于90mpa，取样检测击穿电压应大于30kv(5mm)，其浸水后表面绝缘电阻应大于50kω。
110.实施例3：tf线圈外弧段与推力块之间绝缘结构材料填充
111.如图2、3、7所示，进行tf线圈外弧段与推力块之间绝缘结构材料填充。
112.tf线圈外弧段18与下推力块19分布安装于不同的结构件，tf线圈外弧段18与下推力块19之间需根据整体尺寸链变化和两侧轮廓度偏差填充绝缘结构材料，具体实施方式如下：
113.1)测量并对照图纸，设计tf线圈外弧段与推力块之间绝缘结构材料填充区域21的矩形密封袋结构；
114.2)按照设计的密封袋结构，使用热封机对三侧进行热密封，一侧作为填料口使用。热封之前需要考虑好环氧树脂的注入口和排出口，热封过程制作出环氧树脂的注入口和排出口，密封袋结构形式可参考图2，但需综合考虑施工环境设计制造注入口和排出口；
115.3)按照填充材料配方，在清洁的不锈钢容器中依次称重放入固化剂30份，增强纤维55份，无机填料55份，阻燃剂9份，充分搅拌均匀；
116.4)将混合均匀的填料装入制作好的密封袋中形成填充袋，注意临时扎住环氧树脂的注入口和排出口，移动下推力块19至外侧并在其上方铺垫一层薄聚乙烯薄膜，在平台区域使用工具将填充袋上方擀平，将多余填充材料擀至装填口一侧；
117.5)将填充袋均匀铺设在下推力块19上方，装填口向外，使用工具将填充袋上方平整，在填充袋上方铺垫一层薄聚乙烯薄膜，旋转下推力杆20向内侧缓慢移动下推力块19，直至下推力块19与tf线圈外弧段18完全配合压紧，使用内窥镜从侧面检测下推力块19与tf线圈外弧段18之间接触面配合情况，若配合不好需重复退出下推力块19，平整其上方的填充袋，直至下推力块19与tf线圈外弧段18接触面配合良好；
118.6)调整填充袋两侧环氧树脂的注入口和排出口，使抽气软管易于安装并易于密封，热密封填充袋；
119.7)拧紧下推力杆20，对下推力块19重复施加预紧力，施加预紧力700kn；
120.8)使用软管将填充袋注入口连接环氧树脂盛装容器6，另一侧连接真空容器2，真空容器2与真空泵组1相连，对所有连接位置和填充袋进行气密性检查；
121.9)开启真空泵组1，观察填充袋内填料的浸润情况，待填充袋内环氧浸润充分后，关闭真空泵组1，拆掉填充袋注入口和排出口软管并密封填充袋，注意拆卸过程对现场环境的保护；
122.10)等待填充袋内环氧固化，监控记录填充袋温度情况；
123.11)待绝缘结构填充材料完全固化后，缓慢推出下推力块19，对绝缘填充袋内环氧的浸润情况进行检查，并取样进行性能检查；
124.12)拆除固化后的绝缘结构填充袋及预铺的一层薄聚乙烯薄膜，对固化后的绝缘结构填充袋进行修边；
125.13)上述力学性能和绝缘性能检测达标后，对完成修边固化后的绝缘结构填充袋安装至下推力块19上，旋转下推力杆20向内侧缓慢移动下推力块19，直至下推力块19与tf线圈外弧段18完全配合，
126.14)根据预紧力要求，对下推力杆20正式施加预紧力。
127.该实施例中，形成的绝缘结构填充体取样检测性能要求为：抗折强度应大于20mpa，抗压强度应大于90mpa，取样检测击穿电压应大于30kv(5mm)，其浸水后表面绝缘电阻应大于50kω。
128.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。