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摘要
为高强度加速器中使用的超导磁体系统开发了具有氰酸酯树脂/环氧树脂，双马来酰亚胺树脂/环氧树脂和双马来酰亚胺 - 三嗪树脂作为基质的玻璃纤维增强塑料（GFRP）。这些GFRP的耐辐射性基于其气体释放和伽马射线照射后的机械性能变化来评估，剂量为100 释放和在环境温度下在100MGy的。照射后，从所有GFRP中放出少量气体，与常规环氧树脂-GFRP，G10相比，观察到机械性能略微降低。在GFRP中，气体量最小（6 × 10 -5 用双马来酰亚胺 - 三嗪树脂从GFRP中释放出mol / g），在100MGy照射后，其保留了超过88％的抗弯强度; 因此，这种GFRP被认为是超导磁体系统最有前景的材料。
关键词
超导磁铁 玻璃纤维增强塑料 氰酸酯基树脂 γ射线照射 气体演变 机械性能
1 实验简介
环氧/氰酸酯基共混树脂已被提议作为国际热核实验反应堆（ITER）中超导磁体系统的常规环氧树脂-GFRP的新替代品。基于氰酸酯的树脂，具有高耐辐射性，高热稳定性和低介电性恒定，修改GFRP的辐射电阻。许多报道评估了环氧/氰酸酯基共混树脂及其GFRP的耐辐射性; 已经报道了环氧/氰酸酯基共混树脂的组合和组成的影响以及辐射源（γ射线，中子，电子束）和/或辐射温度等辐射条件。最近，开发了由玻璃布，聚酰亚胺膜和耐辐射性为1022中子（10MGy）的环氧/氰酸酯基共混树脂组成的层压膜。对于ITER，GFRP通过真空压力浸渍制造（VPI）工艺，其中树脂浸渍在缠绕在超导线圈 周围的玻璃布上。在VPI工艺中，树脂的初始粘度是最重要的问题之一。为了获得最佳的初始粘度，环氧树脂的配混是必不可少的，因为氰酸酯基树脂的粘度高。然而，据报道，由环氧组分引入的醚键主要通过辐射分解，这可能导致GFRP的恶化。该发现表明，降低环氧树脂的配比以形成具有高耐辐射性的GFRP是有用的。
2 实验过程
表1总结了在这项工作中用于制备GFRP的条件。氰酸酯树脂/环氧树脂（CE-GFRP），双马来酰亚胺树脂/环氧树脂（BMI-GFRP）和双马来酰亚胺 - 三嗪树脂（BT-GFRP）用作基质。使用平面编织的氨基硅烷处理的S-2玻璃布（厚度0.18mm ）作为增强材料。用树脂浸渍玻璃布，然后热压固化。CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP 的完全固化温度分别为150 ℃，230 ℃和220 ℃。CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP的玻璃布层数分别为197,260和177，厚度为30 毫米; 将GFRP切割成2或 4mm 的厚度用于后续测试。对于CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP，所获得的GFRP的密度分别为1740,1990和1740kg / m 3 。这些GFRP由Arisawa Manufacturing Co.，Ltd。制造。在该工作中，环氧树脂-GFRP，G10作为参考样品进行实验。
表1。GFRP的制备条件。
评估了GFRP的以下热性能和电性能：热膨胀系数（压缩载荷0.5g ，温度范围-150至200 ℃，加热速率 2 ℃/ min，氮气氛; Rigaku，热机械分析仪） ），比热在25 °C（加热速率10 °C / min，氮气氛; Perkin Elmer，DSC-7），25 °C时的热扩散率（氙灯，空气气氛; NETZSCH，LFA447），体积电阻率（施加电压为DC 500 V，测试温度为21 °C; Advantest，R8340），介电击穿电压和强度（直流电压增加率为2） kV / sec，测试温度为23 °C; Tokyo Transformer，标准类型的介电强度测试系统），相对介电常数和损耗角正切（施加电压为1 V，频率为100 Hz和1 MHz，测试温度为21 °C; Agilent Technology，4284A）。
为了评估耐辐射性，将GFRP置于玻璃安瓿中，将其抽空并密封。将样品用照射60 钴γ射线的剂量100 MGY的与在环境温度下的15千戈瑞/小时的剂量率的最大值。照射后，使用气相色谱（Shimadzu，GC-8A）在室温（25 ℃）下分析积聚在玻璃安瓿中的气体。 根据JIS K7055，在室温（23 ℃）下在空气中进行三点弯曲试验。跨度为64mm ，十字头速度为2mm / min（Shimadzu，AG-5000A）。弯曲试验后，用光学显微镜（Keyence，VHX-1000）观察试样的断裂部分。 根据JIS K7164和JIS K7018，在室温（23 ℃）下在空气中进行拉伸和压缩试验（Instron，Model1185）。 两次试验均应用1mm / min的十字头速度。通过平均三个样品的值获得机械测试的结果。
为了测量热性能和弯曲性能，考虑了试样中玻璃纤维的各向异性; 也就是说，测试了垂直（V方向）和平行（H方向）到薄片的方向，如图1所示。
3 实验结果和讨论
表2 列出了本工作中开发的GFRP的热学和电学性质。垂直（V方向）和平行（H方向）测量热性能。对于所有GFRP，V方向上的热膨胀系数和H方向上的热扩散系数和电导率更高。该结果是由玻璃纤维的各向异性引起的。在沿着薄片的方向上，通过具有较低热膨胀系数和较高导热率的玻璃纤维抑制了膨胀并且增强了热传导。比那些树脂。基于不同类型的树脂没有观察到差异。这些结果与电性能结果相似。尽管G10的热性能和电性能根据树脂的组成和玻璃纤维的处理而变化很大，但性能值几乎与本研究中开发的GFRP相同[22]。该发现表明，在这项工作中开发的GFRP适用于基于其热和电性质的电绝缘体和/或结构材料。
表2。GFRPs的热学和电学特性在这项工作中得到了发展。
当通过辐射照射聚合物材料时，产生分解的气体。放出的气体的量可以是用于判断材料的耐辐射性的指标，即，产生少量气体的材料可以被评估为高抗辐射材料。另一方面，包括超导磁体系统中的GFRP的组件暴露于液氦温度（-269 ℃（4K ））。据报道，在-196 °C（77 K）下通过伽马射线照射 GFRP与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的放出气体总量小于室温照射时的气体总量（气体）分析在室温下进行）。这是由于限制造成的 聚合物材料中的分子运动在-196 ℃（77K ）。根据气体分析结果，BT-GFRP最适用于带氦冷却装置的超导磁体系统。
图2。在γ射线照射后来自GFRP的逸出气体：（a）总气体，（b）H 2，（c）CO 2和（d）CO。
图3显示了γ射线照射后GFRP的弯曲试验结果。图3 （a）和（b）分别显示了BT-GFRP和G10在V方向和H方向上的典型位移 - 载荷曲线。在测试方向之间观察到不同的断裂模式：分别为V方向和H方向的类似韧性和单片状的断裂。在V方向上，位移 - 载荷曲线在断裂之前呈现锯齿形状，这表明树脂和玻璃布之间的浸染逐渐发生。相反，在H方向上，位移 - 载荷曲线表明在断裂前的载荷突然减小，这表明剥离暂时发生。CE-GFRP和BMI-GFRP在照射前后的位移 - 载荷曲线几乎与BT-GFRP相似。在50MGy照射后的G10的情况下，在V方向和H方向上观察到延性样断裂，其中样品通过轻微变形而断裂。这是由于树脂和玻璃布之间由于照射引起的树脂分解而导致的粘合性劣化引起的，如下所述。如图3（c）所示，G方向的GFRP的初始强度为518,492和612 CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP分别为MPa。它们在100MGy照射后的保留率分别为CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP的105％，83％和88％。在H-方向上，初始强度分别为 581,722和693MPa，100MGy辐照后的保留率分别为CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP的101％，80％和93％。 （图3（d））。对于CE-GFRP，即使在100MGy照射后，树脂中的分子交联也可能导致强度保持率超过100％。然而，G10在V方向和H方向上的初始弯曲强度为526和446 ΔMGy照射后的保留率分别为17％和31％。照射后GFRP的弯曲强度的降低是由树脂和玻璃布之间的粘合性的劣化引起的。图4 显示了在V方向上弯曲试验后的GFRP。在辐照前的样品的情况下， 未观察到所有GFRP的宏观分层。照射后，发现G10明显分层。相反，即使在以100MGy剂量照射后，在该工作中开发的所有GFRP也未显示出肉眼可见的分层。通过光学显微镜观察试样的底部（通过弯曲试验期间的拉伸载荷应力）为了研究树脂和玻璃布之间的脱粘（图5）。树脂和玻璃布之间的剥离区域由白线描绘。对于CE-GFRP（图5（a）），BMI-GFRP（图5（b））和BT-GFRP（图5（c）），在一些部分中观察到脱粘。然而，对于G10，观察到几乎所有层中的长脱粘区域（图5（d））。该结果表明，CE-GFRP，BMI-GFRP和BT-GFRP中树脂和玻璃布之间的粘合性的劣化受到抑制，这得到了在该工作中开发的GFRP比G10产生更少量气体的支持。 （如图2所示））。因此，在该工作中开发的GFRP表现出高的弯曲强度保持力。根据气体释放和弯曲强度结果，BT-GFRP表现出最小的气体逸出量和相对较高的抗弯强度，是所开发的GFRPs中最有希望的材料。
图3。γ射线照射后GFRP的弯曲性的变化：位移 - 载荷曲线（（a）V方向和（b）H方向）和弯曲强度（（c）V方向和（d）H方向）。
图4。在V方向弯曲试验后的GFRP照片。
图5。弯曲试验后GFRP 的断裂部分（图4中试样的底侧）的显微照片：（a）CE-GFRP（100MGy），（b）BMI-GFRP（100MGy），（c）BT-GFRP（100MGy） ，和（d）G10（50MGy）。
在超导磁体系统的操作期间，由于温度和磁场，结构材料受到拉伸和/或压缩应力以及弯曲应力的应力。因此，对于BT-GFRP和G10，在真空下进行γ射线照射后进行拉伸和压缩试验。图6（a）显示了拉伸试验中的典型位移 - 载荷曲线。在BT-GFRP的情况下，在照射之前和之后位移 - 载荷曲线没有很大变化，这表明树脂和玻璃布之间的粘合性保持良好。对于照射后的G10，发现指示剥离的位移 - 载荷曲线。如图 6 （b）所示，初始拉伸强度和BT-GFRP的模量分别为453 兆帕和29 GPA，分别与50 MGY照射后它们的保留率分别为95％和93％。对于G10，50MGy照射后的拉伸强度和模量的保持率为75％和65％。就压缩性能的变化而言，在照射之前和之后的所有样品都显示出相似的位移 - 载荷曲线（图7（a））。在压缩试验中，由树脂和玻璃布之间的剥离引起的分层是主要的断裂模式，并且断裂发生在瞬间。如图 7 （b）所示，BT-GFRP的初始压缩强度和模量为382MPa 和27 GPa和50MGy照射后这些值的保留率分别为91％和111％。对于G10，50MGy照射后的压缩强度和模量的保持率分别为23％和104％。在我们的超导磁体系统的设计中，GFRP在机械性能方面的耐辐射性的标准被确定为在照射后保留超过70％; 也就是说，这项工作中开发的所有GFRP都符合标准。特别是，BT-GFRP被认为是超导磁体系统最有前景的材料。
图6。伽马射线照射后BT-GFRP和G10的拉伸性能的变化：（a）位移 - 载荷曲线和（b）拉伸强度和模量。
图7。伽马射线照射后BT-GFRP和G10的压缩性能的变化：（a）位移 - 负荷曲线和（b）压缩强度和模量。
4 结论
在该研究中，使用不同的树脂基质开发了几种GFRP，用于高强度加速器中使用的超导磁体系统，并且基于气体逸出和其机械性质的变化评估它们的耐辐射性。与常规环氧树脂-GFRP（G10）相比，所有开发的GFRP在辐照后表现出少量的气体逸出和机械性能的轻微降低。BT-GFRP 在100MGy 伽马射线照射后产生最小量的气体（6 × 10 -5 mol / g）并保持88％的抗弯强度，以及95％的抗拉强度和91％的抗压强度50MGy伽马射线照射后; 这种GFRP被认为是超导磁体系统最有前途的材料。
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