CN115503264A - 一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断及其制备方法，涉及绝缘隔断领域。包括内模和设置于内模相对两侧的上不锈钢外模和下不锈钢外模，内模其余四个侧面分别可拆卸围设有两个相对的侧模板和两个相对的侧模块，侧模板和侧模块与内模之间留有用于缠绕绝缘隔断材料的空间，上不锈钢外模开设有与缠绕绝缘隔断材料的空间相连通的若干冒胶孔，下不锈钢外模开设有与缠绕绝缘隔断材料的空间连通的若干注胶孔。本申请通过材料的成分以及结构的特殊设计，在制备过程中利用模具对玻璃纤维进行有序、平整且紧密地缠绕，通过浸渍注胶工艺实现环氧树脂与玻璃纤维的充分融合，减少孔隙率，提高绝缘强度和抗拉强度。

Description

一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断及其制备方法
技术领域
本发明涉及绝缘隔断领域，尤其涉及一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断及其制备方法。
背景技术
绝缘隔断器件是在磁约束聚变堆超导磁体中用于导体上下出线头和倒数第二匝进行机械固连和电绝缘隔离的重要元件。绝缘隔断从结构和功能的角度，它需要能够承受线圈工作时导体传递来的电磁力和冷热收缩的热应力，还需经历相应的低温机械疲劳过程。从材料属性的角度，它需要具有和聚变领域常用材料316LN相宜的热膨胀系数，因此它的质量直接关系到线圈是否能够安全稳定运行。
现有的ITER PF线圈出线头尾段结构都有设计并用到绝缘隔断，国内这块还属于技术空白，只能依靠国外单位定制进口，在时间和金钱上都用了很大的代价。
发明内容
本发明提供了一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断及其制备方法，通过特殊的材料和结构设计，以在极低温、强电磁的运行背景下，满足有限空间安装的尺寸要求、强度要求和绝缘要求。
为了解决上述技术问题，本发明目的之一提供了一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，包括内模和设置于内模相对两侧的上不锈钢外模和下不锈钢外模，所述内模其余四个侧面分别可拆卸围设有两个相对的侧模板和两个相对的侧模块，所述侧模板和侧模块与内模之间留有用于缠绕绝缘隔断材料的空间，所述上不锈钢外模开设有与缠绕绝缘隔断材料的空间相连通的若干冒胶孔，所述下不锈钢外模开设有与缠绕绝缘隔断材料的空间连通的若干注胶孔。
作为优选方案，所述内模与上不锈钢外模或下不锈钢外模连接面平行的截面呈圆角矩形设置。
作为优选方案，所述侧模板和侧模块均通过压紧组件固定设置于内模外侧，所述压紧组件包括可拆卸固定设置于上不锈钢外模和下不锈钢外模的压片和与压片螺纹连接的抵压件，所述侧模板和侧模块分别与对应抵压件的端部抵接。
作为优选方案，所述侧模板和侧模块朝向内模一面与内模外壁的轮廓一致。
作为优选方案，所述上不锈钢外模和下不锈钢外模相向一面设置有限位台阶，所述限位台阶的边缘轮廓呈圆角矩形设置，所述限位台阶和内模的中心线重合。
作为优选方案，所述侧模块和侧模板朝向内模一侧且靠近限位台阶的边缘开设有让位槽，所述让位槽与限位台阶配合卡接。
作为优选方案，所述上不锈钢外模或下不锈钢外模设置有与自动缠绕设备可拆卸连接的连轴结构。
为了解决上述技术问题，本发明目的之二提供了一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的制备方法，所述模具在内模外侧缠绕玻璃纤维，缠绕张力在1-2公斤，安装所述侧模板和侧模块，所述模具脱气处理后，在所述注胶孔注入环氧树脂体系，通过浸渍的方式注胶加热固化，所述玻璃纤维采用拉伸应力大于3500MPa的玻璃纤维；所述环氧树脂体系中的环氧树脂采用低粘度环氧树脂，在40℃条件下粘度小于200 cP。
通过采用上述方案，采用高拉伸强度的玻璃纤维，其自身在缠绕过程中可以承受较高的缠绕张力，从而确保在直线段位置的的玻璃纤维缠绕后没有褶皱，从而提高绝缘隔断的强度；采用多条注胶孔和冒胶孔通道，确保了这种大截面密绕材料可以完全被树脂浸渍，此方式注胶比现有的湿包绕产品产生的孔隙率更小；通过特殊的材料和结构设计，绝缘隔断设计为跑道型，二端半圆过渡，可以通过插销连接的形式很好的进行固连，避免应力集中，同时可以在有限的空间尺寸上，在绝缘隔断两侧保留一定的几何空间用于绝缘隔断壁厚设计，进而确保绝缘隔断具有足够的机械强度，在极低温、强电磁的运行背景下时，可以满足有限空间安装的尺寸要求、强度要求和绝缘要求。
作为优选方案，包括以下步骤：
S1、在内模壁上贴一层聚四氟乙烯薄膜，将模具和自动缠绕设备相连；
S2、开始缠绕玻璃纤维，起始端在内模中心线位置，自内向外逐层缠绕，玻璃纤维表面缠绕一层聚四氟乙烯薄膜，安装侧模板和侧模块，拆卸模具与自动缠绕设备的连接；
S3、将模具放入热压罐中，关闭热压罐并加热脱气；
S4、将环氧树脂体系加入混胶脱气罐中，真空脱气搅拌直至环氧树脂上表面无可见气泡；
S5、将装载环氧树脂体系的注射设备罐口与注胶孔连接，先关闭热压罐的真空泵，缓慢打开注胶处阀门，使得树脂缓慢浸渍到模具内部，直至注入树脂漫过模具上表面时，关闭浇注阀门，关闭抽空阀门和真空泵，向热压罐中通入氮气打压；
S6、设置样件加热程序，完成树脂VPI过程，随后热压罐降至室温后，释放热压罐中的氮气，打开热压罐，取出模具、拆模和表面清理。
作为优选方案，在S4中，所述环氧树脂体系包括质量比为5：1：1的环氧树脂、脂肪族胺类固化剂、促进剂。
作为优选方案，在S3中，脱气温度为105-120℃。
作为优选方案，在S6中，加热程序为：5℃/h升温至95℃±5℃，保温12h，然后以升温5℃/h至135±5℃，保温15h，然后以5℃/h降温至室温。
为了解决上述技术问题，本发明目的之三提供了一种上述制备方法获得的低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本申请通过材料的成分以及结构的特殊设计，在制备过程中利用模具对玻璃纤维进行有序、平整且紧密地缠绕，通过浸渍注胶工艺实现环氧树脂与玻璃纤维的充分融合，减少孔隙率，提高绝缘强度和抗拉强度。
附图说明
图1 ：为本发明一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的立体结构；
图2：为本发明一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具的立体结构；
图3：为发明一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具未缠绕玻璃纤维时的正视图；
图4：为本发明一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具中上不锈钢外模的立体结构示意图；
图5：为本发明一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具中下不锈钢外模的立体结构示意图；
图6：为本发明一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具中侧模块的立体结构示意图；
图7：为本发明一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具的剖面结构示意图；
其中，说明书附图的附图标记如下：1、上不锈钢外模；2、下不锈钢外模；3、冒胶孔；4、注胶孔；5、内模；6、连轴结构；7、限位台阶；8、侧模块；81、让位槽；9、侧模板；91、压片；92、抵压件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具，包括相互对应的上不锈钢外模1、下不锈钢外模2、两个侧模板9和两个侧模块8，上不锈钢外模1和下不锈钢外模2之间固定连接有内模5，内模5与上不锈钢外模1和下不锈钢外模2连接面平行的截面呈圆角矩形设置，内模5与上不锈钢外模1和下不锈钢外模2的边缘留有供玻璃纤维缠绕的空间。下不锈钢外模2背向上不锈钢外模1的一侧固定安装有连轴结构6，连轴结构6可以与自动缠绕机相连，从而实现模具自动旋转并在内模5位置缠绕玻璃纤维。
具体地，下不锈钢外模2开设有若干个纵向和横向排布的注胶孔4，上不锈钢外模1开设有若干个纵向和横向排布的冒胶孔3，注胶孔4和冒胶孔3均与玻璃纤维缠绕空间相连通。
将玻璃纤维缠绕在内模5后，两个侧模板9相对设置于内模5宽度方向相对两侧，且位于玻璃纤维的外侧，两个侧模块8相对设置于内模5块长度方向相对两侧，且位于玻璃纤维外侧。侧模板9的两个相对边缘分别与上不锈钢外模1和下不锈钢外模2相对一面相抵接，另外两个相对边缘分别与两个侧模块8相对一面相靠近，侧模块8的两个相对边缘分别与上不锈钢外模1、下不锈钢外模2相对一面相抵接。
具体地，侧模板9和侧模块8均通过压紧组件进行固定，压紧组件包括可拆卸固定设置于上不锈钢外模1和下不锈钢外模2的压片91和与压片91螺纹连接的抵压件92，侧模板9和侧模块8分别与对应抵压件92的端部抵接，旋转抵压件92使得侧模板9或侧模块8可以固定抵紧在玻璃纤维外侧。
具体地，上不锈钢外模1和下不锈钢外模2相向一面设置有限位台阶7，限位台阶7的边缘轮廓呈圆角矩形设置，限位台阶7与内模5的中心线重合，限位台阶7的边缘与上不锈钢外模1或下不锈钢外模2的边缘留有间距。侧模块8朝向内模5的一侧呈圆弧面设置，侧模块8和侧模板9朝向内模5一面且靠近上不锈钢外模1和下不锈钢外模2的边缘均开设有与靠近限位台阶7的边缘相配合卡接的让位槽81。当侧模块8和侧模板9抵压在玻璃纤维外侧时，侧模块8和侧模板9的内壁可以将与限位台阶7边缘齐平的玻璃纤维向内压紧，限位台阶7对压紧程度进行限定，保证需要的尺寸和设计的尺寸相同，同时用于调节适配玻璃纤维的压紧空间。
一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的制备方法，采用上述一种制备低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的模具，包括以下步骤：
S1、将上不锈钢外模、下不锈钢外模和内模装配连接为一体，在内模壁上贴一层聚四氟乙烯薄膜（厚度0.05mm），以便脱模更加容易，宽度按实际大小裁剪，然后通过连轴结构将模具和自动缠绕机相连；
S2、与自动缠绕设备连接后，开始缠绕玻璃纤维，玻璃纤维采用拉伸应力大于3500MPa的玻璃纤维，购自南京玻璃纤维研究院的高强6号，起始端在内模中心线位置，自内向外逐层缠绕，缠绕张力在1公斤，玻璃纤维缠绕至的限位台阶处齐平，玻璃纤维尾部用聚酰亚胺带固定，玻璃纤维表面缠绕一层聚四氟乙烯薄膜（厚度为0.05mm），并用聚酰亚胺带进行固定，安装侧模板和侧模块，并用0.1mm塞尺检验模具装配间隙直至装配尺寸满足设计要求，拆卸模具与自动缠绕机的连接装置；
S3、将装配完成的模具放入热压罐中，关闭热压罐并加热到110℃脱气；
S4、将环氧树脂体系加入混胶脱气罐中，开启搅拌桨，真空脱气搅拌直至树脂上表面无可见气泡，环氧树脂体系包括质量比为5：1：1的环氧树脂、脂肪族胺类固化剂、促进剂；环氧树脂采用低粘度环氧树脂，在40℃条件下粘度小于200 cP，脂肪族胺类固化剂为间二甲苯二胺，促进剂为LC-100；
S5、将配制好的树脂体系放入注射罐中，注射罐口与注胶孔连接，先关闭热压罐的真空泵，然后缓慢打开注胶口处阀门，调整流速，使得树脂缓慢流入模具的托盘中，缓慢浸渍到模具内部，直至注入树脂漫过模具上表面从冒胶孔溢出时，关闭浇注阀门，关闭抽空阀门和真空泵，向热压罐中通入氮气打压；
S6、设置样件加热程序为：5℃/h升温至95℃±5℃，保温12h，然后以升温5℃/h至135±5℃，保温15h，然后以5℃/h降温至室温；完成树脂VPI过程，待加热程序走完，热压罐降至室温后，释放热压罐中的氮气，打开热压罐，取出模具、拆模和表面清理。
本实施例制备获得的绝缘隔断如图1所示，采用燃烧法检测绝缘隔断的孔隙率为1.36%；通过直流耐压测试仪给绝缘隔断做耐压试验的方法进行绝缘强度的测试，满足直流21KV；在低温中（液氮）处理半小时以上后进行测试抗拉强度，将样件切割成固有的形状和尺寸，然后通过拉伸机测试它的拉伸强度为1000MPa；采用贴应变片法检测热膨胀系数，结果77-293k热膨胀率（应变片与缠绕玻璃纤维方向平行）为0.0703%，77-293k热膨胀率（应变片与缠绕玻璃纤维方向垂直）为0.2941%。
对比例一
一种低温环境中使用的绝缘隔断的制备方法，与实施例1的区别在于，在S2中，采用拉伸应力为2000MPa的玻璃纤维。
本对比例1制备获得的绝缘隔断采用实施例1同样的测试方法，测得孔隙率为1.42%，绝缘强度满足直流21KV，抗拉强度800MPa。
对比例二
一种低温环境中使用的绝缘隔断的制备方法，与实施例1的区别在于，在S2中，玻璃纤维的缠绕张力在0.5公斤。
本对比例2制备获得的绝缘隔断采用实施例1同样的测试方法，测得孔隙率为1.47%，绝缘强度满足直流21KV，抗拉强度850MPa。
对比例三
一种低温环境中使用的绝缘隔断的制备方法，与实施例1的区别在于，在S4中，环氧树脂在40℃条件下粘度为300 cP。
本对比例3制备获得的绝缘隔断采用实施例1同样的测试方法，测得孔隙率为1.62%，绝缘强度满足直流21KV，抗拉强度1000MPa。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，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。

Claims (10)

1.一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，其特征在于，包括内模(5)和设置于内模(5)相对两侧的上不锈钢外模(1)和下不锈钢外模(2)，所述内模(5)其余四个侧面分别可拆卸围设有两个相对的侧模板(9)和两个相对的侧模块(8)，所述侧模板(9)和侧模块(8)与内模(5)之间留有用于缠绕绝缘隔断材料的空间，所述上不锈钢外模(1)开设有与缠绕绝缘隔断材料的空间相连通的若干冒胶孔(3)，所述下不锈钢外模(2)开设有与缠绕绝缘隔断材料的空间连通的若干注胶孔(4)。
2.如权利要求1所述的一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，其特征在于，所述内模(5)与上不锈钢外模(1)或下不锈钢外模(2)连接面平行的截面呈圆角矩形设置。
3.如权利要求1所述的一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，其特征在于，所述侧模板(9)和侧模块(8)均通过压紧组件固定设置于内模(5)外侧，所述压紧组件包括可拆卸固定设置于上不锈钢外模(1)和下不锈钢外模(2)的压片(91)和与压片(91)螺纹连接的抵压件(92)，所述侧模板(9)和侧模块(8)分别与对应抵压件(92)的端部抵接。
4.如权利要求1所述的一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，其特征在于，所述侧模板(9)和侧模块(8)朝向内模(5)一面与内模(5)外壁的轮廓一致。
5.如权利要求1所述的一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，其特征在于，所述上不锈钢外模(1)和下不锈钢外模(2)相向一面设置有限位台阶(7)，所述限位台阶(7)的边缘轮廓呈圆角矩形设置，所述限位台阶(7)和内模(5)的中心线重合，所述侧模块(8)和侧模板(9)朝向内模(5)一侧且靠近限位台阶(7)的边缘开设有让位槽(81)，所述让位槽(81)与限位台阶(7)配合卡接。
6.如权利要求1所述的一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，其特征在于，所述上不锈钢外模(1)或下不锈钢外模(2)设置有与自动缠绕设备可拆卸连接的连轴结构(6)。
7.一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述的一种制备高抗拉强度绝缘隔断的模具，所述模具在内模外侧缠绕玻璃纤维，缠绕张力在1-2公斤，安装所述侧模板和侧模块，所述模具脱气处理后，在所述注胶孔注入环氧树脂体系，通过浸渍的方式注胶加热固化，所述玻璃纤维采用拉伸应力大于3500MPa的玻璃纤维；所述环氧树脂体系中的环氧树脂采用低粘度环氧树脂，在40℃条件下粘度小于200 cP。
8.如权利要求7所述的一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在内模壁上贴一层聚四氟乙烯薄膜，将模具和自动缠绕设备相连；
S2、开始缠绕玻璃纤维，起始端在内模中心线位置，自内向外逐层缠绕，玻璃纤维表面缠绕一层聚四氟乙烯薄膜，安装侧模板和侧模块，拆卸模具与自动缠绕设备的连接；
S3、将模具放入热压罐中，关闭热压罐并加热脱气；
S4、将环氧树脂体系加入混胶脱气罐中，真空脱气搅拌直至环氧树脂上表面无可见气泡；
S5、将装载环氧树脂体系的注射设备罐口与注胶孔连接，先关闭热压罐的真空泵，缓慢打开注胶处阀门，使得树脂缓慢浸渍到模具内部，直至注入树脂漫过模具上表面时，关闭浇注阀门，关闭抽空阀门和真空泵，向热压罐中通入氮气打压；
S6、设置样件加热程序，完成树脂VPI过程，随后热压罐降至室温后，释放热压罐中的氮气，打开热压罐，取出模具、拆模和表面清理。
9.如权利要求8所述的一种低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的制备方法，其特征在于，在S4中，所述环氧树脂体系包括质量比为5：1：1的环氧树脂、脂肪族胺类固化剂、促进剂。
10.一种基于如权利要求8或9所述低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断的制备方法获得的低温环境中使用的高抗拉强度绝缘隔断。
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