晃Idesaki 一個1Tatsushi 中本b誠吉田Ç明彥島田一個1正美飯尾b健一佐佐木bMichinaka 菅b康弘Makida Ç徹Ogitsu b
摘要
為高強度加速器中使用的超導磁體系統開發了具有氰酸酯樹脂/環氧樹脂，雙馬來酰亞胺樹脂/環氧樹脂和雙馬來酰亞胺 - 三嗪樹脂作為基質的玻璃纖維增強塑料（GFRP）。這些GFRP的耐輻射性基於其氣體釋放和伽馬射線照射後的機械性能變化來評估，劑量為100 釋放和在環境溫度下在100MGy的。照射後，從所有GFRP中放出少量氣體，與常規環氧樹脂-GFRP，G10相比，觀察到機械性能略微降低。在GFRP中，氣體量最小（6 × 10 -5 用雙馬來酰亞胺 - 三嗪樹脂從GFRP中釋放出mol / g），在100MGy照射後，其保留了超過88％的抗彎強度; 因此，這種GFRP被認為是超導磁體系統最有前景的材料。
關鍵詞
超導磁鐵 玻璃纖維增強塑料 氰酸酯基樹脂 γ射線照射 氣體演變 機械性能
1 實驗簡介
環氧/氰酸酯基共混樹脂已被提議作為國際熱核實驗反應堆（ITER）中超導磁體系統的常規環氧樹脂-GFRP的新替代品。基於氰酸酯的樹脂，具有高耐輻射性，高熱穩定性和低介電性恆定，修改GFRP的輻射電阻。許多報道評估了環氧/氰酸酯基共混樹脂及其GFRP的耐輻射性; 已經報道了環氧/氰酸酯基共混樹脂的組合和組成的影響以及輻射源（γ射線，中子，電子束）和/或輻射溫度等輻射條件。最近，開發了由玻璃布，聚酰亞胺膜和耐輻射性為1022中子（10MGy）的環氧/氰酸酯基共混樹脂組成的層壓膜。對於ITER，GFRP通過真空壓力浸漬製造（VPI）工藝，其中樹脂浸漬在纏繞在超導線圈 周圍的玻璃布上。在VPI工藝中，樹脂的初始粘度是最重要的問題之一。為了獲得最佳的初始粘度，環氧樹脂的配混是必不可少的，因為氰酸酯基樹脂的粘度高。然而，據報道，由環氧組分引入的醚鍵主要通過輻射分解，這可能導致GFRP的惡化。該發現表明，降低環氧樹脂的配比以形成具有高耐輻射性的GFRP是有用的。
2 實驗過程
表1總結了在這項工作中用於製備GFRP的條件。氰酸酯樹脂/環氧樹脂（CE-GFRP），雙馬來酰亞胺樹脂/環氧樹脂（BMI-GFRP）和雙馬來酰亞胺 - 三嗪樹脂（BT-GFRP）用作基質。使用平面編織的氨基硅烷處理的S-2玻璃布（厚度0.18mm ）作為增強材料。用樹脂浸漬玻璃布，然後熱壓固化。CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP 的完全固化溫度分別為150 ℃，230 ℃和220 ℃。CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP的玻璃布層數分別為197,260和177，厚度為30 毫米; 將GFRP切割成2或 4mm 的厚度用於後續測試。對於CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP，所獲得的GFRP的密度分別為1740,1990和1740kg / m 3 。這些GFRP由Arisawa Manufacturing Co.，Ltd。製造。在該工作中，環氧樹脂-GFRP，G10作為參考樣品進行實驗。
表1。GFRP的製備條件。
評估了GFRP的以下熱性能和電性能：熱膨脹係數（壓縮載荷0.5g ，溫度範圍-150至200 ℃，加熱速率 2 ℃/ min，氮氣氛; Rigaku，熱機械分析儀） ），比熱在25 °C（加熱速率10 °C / min，氮氣氛; Perkin Elmer，DSC-7），25 °C時的熱擴散率（氙燈，空氣氣氛; NETZSCH，LFA447），體積電阻率（施加電壓為DC 500 V，測試溫度為21 °C; Advantest，R8340），介電擊穿電壓和強度（直流電壓增加率為2） kV / sec，測試溫度為23 °C; Tokyo Transformer，標準類型的介電強度測試系統），相對介電常數和損耗角正切（施加電壓為1 V，頻率為100 Hz和1 MHz，測試溫度為21 °C; Agilent Technology，4284A）。
為了評估耐輻射性，將GFRP置於玻璃安瓿中，將其抽空並密封。將樣品用照射60 鈷γ射線的劑量100 MGY的與在環境溫度下的15千戈瑞/小時的劑量率的最大值。照射後，使用氣相色譜（Shimadzu，GC-8A）在室溫（25 ℃）下分析積聚在玻璃安瓿中的氣體。 根據JIS K7055，在室溫（23 ℃）下在空氣中進行三點彎曲試驗。跨度為64mm ，十字頭速度為2mm / min（Shimadzu，AG-5000A）。彎曲試驗後，用光學顯微鏡（Keyence，VHX-1000）觀察試樣的斷裂部分。 根據JIS K7164和JIS K7018，在室溫（23 ℃）下在空氣中進行拉伸和壓縮試驗（Instron，Model1185）。 兩次試驗均應用1mm / min的十字頭速度。通過平均三個樣品的值獲得機械測試的結果。
為了測量熱性能和彎曲性能，考慮了試樣中玻璃纖維的各向異性; 也就是說，測試了垂直（V方向）和平行（H方向）到薄片的方向，如圖1所示。
3 實驗結果和討論
表2 列出了本工作中開發的GFRP的熱學和電學性質。垂直（V方向）和平行（H方向）測量熱性能。對於所有GFRP，V方向上的熱膨脹係數和H方向上的熱擴散係數和電導率更高。該結果是由玻璃纖維的各向異性引起的。在沿著薄片的方向上，通過具有較低熱膨脹係數和較高導熱率的玻璃纖維抑制了膨脹並且增強了熱傳導。比那些樹脂。基於不同類型的樹脂沒有觀察到差異。這些結果與電性能結果相似。儘管G10的熱性能和電性能根據樹脂的組成和玻璃纖維的處理而變化很大，但性能值幾乎與本研究中開發的GFRP相同[22]。該發現表明，在這項工作中開發的GFRP適用於基於其熱和電性質的電絕緣體和/或結構材料。
表2。GFRPs的熱學和電學特性在這項工作中得到了發展。
當通過輻射照射聚合物材料時，產生分解的氣體。放出的氣體的量可以是用於判斷材料的耐輻射性的指標，即，產生少量氣體的材料可以被評估為高抗輻射材料。另一方面，包括超導磁體系統中的GFRP的組件暴露於液氦溫度（-269 ℃（4K ））。據報道，在-196 °C（77 K）下通過伽馬射線照射 GFRP與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的放出氣體總量小於室溫照射時的氣體總量（氣體）分析在室溫下進行）。這是由於限制造成的 聚合物材料中的分子運動在-196 ℃（77K ）。根據氣體分析結果，BT-GFRP最適用於帶氦冷卻裝置的超導磁體系統。
圖2。在γ射線照射後來自GFRP的逸出氣體：（a）總氣體，（b）H 2，（c）CO 2和（d）CO。
圖3顯示了γ射線照射後GFRP的彎曲試驗結果。圖3 （a）和（b）分別顯示了BT-GFRP和G10在V方向和H方向上的典型位移 - 載荷曲線。在測試方向之間觀察到不同的斷裂模式：分別為V方向和H方向的類似韌性和單片狀的斷裂。在V方向上，位移 - 載荷曲線在斷裂之前呈現鋸齒形狀，這表明樹脂和玻璃布之間的浸染逐漸發生。相反，在H方向上，位移 - 載荷曲線表明在斷裂前的載荷突然減小，這表明剝離暫時發生。CE-GFRP和BMI-GFRP在照射前後的位移 - 載荷曲線幾乎與BT-GFRP相似。在50MGy照射後的G10的情況下，在V方向和H方向上觀察到延性樣斷裂，其中樣品通過輕微變形而斷裂。這是由於樹脂和玻璃布之間由於照射引起的樹脂分解而導致的粘合性劣化引起的，如下所述。如圖3（c）所示，G方向的GFRP的初始強度為518,492和612 CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP分別為MPa。它們在100MGy照射後的保留率分別為CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP的105％，83％和88％。在H-方向上，初始強度分別為 581,722和693MPa，100MGy輻照後的保留率分別為CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP的101％，80％和93％。 （圖3（d））。對於CE-GFRP，即使在100MGy照射後，樹脂中的分子交聯也可能導致強度保持率超過100％。然而，G10在V方向和H方向上的初始彎曲強度為526和446 ΔMGy照射後的保留率分別為17％和31％。照射後GFRP的彎曲強度的降低是由樹脂和玻璃布之間的粘合性的劣化引起的。圖4 顯示了在V方向上彎曲試驗後的GFRP。在輻照前的樣品的情況下， 未觀察到所有GFRP的宏觀分層。照射後，發現G10明顯分層。相反，即使在以100MGy劑量照射後，在該工作中開發的所有GFRP也未顯示出肉眼可見的分層。通過光學顯微鏡觀察試樣的底部（通過彎曲試驗期間的拉伸載荷應力）為了研究樹脂和玻璃布之間的脫粘（圖5）。樹脂和玻璃布之間的剝離區域由白線描繪。對於CE-GFRP（圖5（a）），BMI-GFRP（圖5（b））和BT-GFRP（圖5（c）），在一些部分中觀察到脫粘。然而，對於G10，觀察到幾乎所有層中的長脫粘區域（圖5（d））。該結果表明，CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP中樹脂和玻璃布之間的粘合性的劣化受到抑制，這得到了在該工作中開發的GFRP比G10產生更少量氣體的支持。 （如圖2所示））。因此，在該工作中開發的GFRP表現出高的彎曲強度保持力。根據氣體釋放和彎曲強度結果，BT-GFRP表現出最小的氣體逸出量和相對較高的抗彎強度，是所開發的GFRPs中最有希望的材料。
圖3。γ射線照射後GFRP的彎曲性的變化：位移 - 載荷曲線（（a）V方向和（b）H方向）和彎曲強度（（c）V方向和（d）H方向）。
圖4。在V方向彎曲試驗後的GFRP照片。
圖5。彎曲試驗後GFRP 的斷裂部分（圖4中試樣的底側）的顯微照片：（a）CE-GFRP（100MGy），（b）BMI-GFRP（100MGy），（c）BT-GFRP（100MGy） ，和（d）G10（50MGy）。
在超導磁體系統的操作期間，由於溫度和磁場，結構材料受到拉伸和/或壓縮應力以及彎曲應力的應力。因此，對於BT-GFRP和G10，在真空下進行γ射線照射後進行拉伸和壓縮試驗。圖6（a）顯示了拉伸試驗中的典型位移 - 載荷曲線。在BT-GFRP的情況下，在照射之前和之後位移 - 載荷曲線沒有很大變化，這表明樹脂和玻璃布之間的粘合性保持良好。對於照射後的G10，發現指示剝離的位移 - 載荷曲線。如圖 6 （b）所示，初始拉伸強度和BT-GFRP的模量分別為453 兆帕和29 GPA，分別與50 MGY照射後它們的保留率分別為95％和93％。對於G10，50MGy照射後的拉伸強度和模量的保持率為75％和65％。就壓縮性能的變化而言，在照射之前和之後的所有樣品都顯示出相似的位移 - 載荷曲線（圖7（a））。在壓縮試驗中，由樹脂和玻璃布之間的剝離引起的分層是主要的斷裂模式，並且斷裂發生在瞬間。如圖 7 （b）所示，BT-GFRP的初始壓縮強度和模量為382MPa 和27 GPa和50MGy照射後這些值的保留率分別為91％和111％。對於G10，50MGy照射後的壓縮強度和模量的保持率分別為23％和104％。在我們的超導磁體系統的設計中，GFRP在機械性能方面的耐輻射性的標準被確定為在照射後保留超過70％; 也就是說，這項工作中開發的所有GFRP都符合標準。特別是，BT-GFRP被認為是超導磁體系統最有前景的材料。
圖6。伽馬射線照射後BT-GFRP和G10的拉伸性能的變化：（a）位移 - 載荷曲線和（b）拉伸強度和模量。
圖7。伽馬射線照射後BT-GFRP和G10的壓縮性能的變化：（a）位移 - 負荷曲線和（b）壓縮強度和模量。
4 結論
在該研究中，使用不同的樹脂基質開發了幾種GFRP，用於高強度加速器中使用的超導磁體系統，並且基於氣體逸出和其機械性質的變化評估它們的耐輻射性。與常規環氧樹脂-GFRP（G10）相比，所有開發的GFRP在輻照後表現出少量的氣體逸出和機械性能的輕微降低。BT-GFRP 在100MGy 伽馬射線照射後產生最小量的氣體（6 × 10 -5 mol / g）並保持88％的抗彎強度，以及95％的抗拉強度和91％的抗壓強度50MGy伽馬射線照射後; 這種GFRP被認為是超導磁體系統最有前途的材料。
閱讀更多 太陽張12035 的文章
