A15型超导线圈环氧树脂真空压力浸渍理论与实验研究

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真空压力浸渍(VPI)是A15型超导线圈技术的一部分,对磁体的稳定运行起着关键作用。研究树脂的浸渍过程,掌握浸渍的规律,对于A15型超导线圈有着十分重要的意义。  浸渍后形成的绝缘层的力学和热学等参数,则会影响超导线圈的应力应变分布,进而影响到线圈的最终性能。研究绝缘层对A15型超导线圈应力应变的作用机制,从而对线圈的VPI工艺进行指导,亦有着重要的意义。  本文从如下方面对A15型超导线圈树脂浸渍进行了研究:  1.建立了螺线管超导线圈VPI渗流模型并研究了浸渍规律。  从渗流力学中单相液体刚性不稳定渗流理论和弹性微可压缩液体的不稳定渗流理论出发,根据螺线管线圈VPI特点和边界条件,对超导线圈的VPI过程进行了建模。并采用实验方法测定了浸渍用环氧树脂非牛顿流变特性及A15型超导线圈各向渗透率等模型中所需的参数。  对于轴对称浸渍问题推导了模型的解析解,计算了温度、渗透率、线圈曲率等因素对浸渍的影响。对于不可简化为轴对称问题的三维浸渍问题,采用数值方法进行了动态模拟。结果显示浸渍可以分为三个阶段:其中第一个阶段为环向浸渍阶段,树脂迅速沿环向填满注胶口所在的线圈底部;第二个阶段为轴向浸渍阶段,而轴向浸渍速度随着浸渍距离和粘度的增长缓慢降低;第三个阶段的浸渍则主要受限于边界条件。  2.研究了浸渍后形成的绝缘层对线圈应力应变和最终性能的影响。  为了研究浸渍形成的玻璃丝环氧树脂固化绝缘层对线圈应力应变分布影响,提出了将超导线材和环氧树脂绝缘层分开考虑的线圈精细模型,以及改进的导线动态运动方法,将线圈中绝缘层的力学性能纳入计算。以一个实际Nb3Sn磁体作为算例,计算了绝缘层对线圈应变的影响,结果显示在考虑绝缘层作用后线圈内的最大应变值有所提高(算例中提高17%)。  采用算例,计算了绝缘层的厚度、弹性模量等参数对于线圈应变的影响,电磁载荷冲击下导线受力的动态响应,以及不同位置浸渍缺陷的影响。根据这些计算的结果,讨论了A15型线圈VPI中树脂选择、玻璃丝和树脂比例以及浸渍缺陷等问题,从线圈应变角度研究了VPI工艺和参数选择。  为了研究应力应变对A15型线圈最终性能的影响,基于PACMAN原理开发了A15线材应变-临界电流特性测试系统。经过校正,该系统的测量值和理论值得到了较好的吻合。  3.讨论了VPI渗流模型和导线动态运动方法的应用。  在Nb3Al试验磁体的研制中,根据VPI模型选定了Nb3Al线圈的浸渍工艺与工艺参数,并对该试验磁体的设计、绕制、热处理以及磁体的最终测试结果进行了分析。  采用改进的导线动态运动方法对25 T磁体中的Nb3Sn线圈设计进行了校验。校验计算的结果显示,考虑绝缘层影响后线圈最大应力增大约20 MPa,需要对原有的设计进行改进以降低线圈中的最大应力。
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