DE102009053965B4

DE102009053965B4 - Mit einer Vergussmasse vergossene Gradientenspule

Info

Publication number: DE102009053965B4
Application number: DE102009053965.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gröppel Peter; Jürgen Huber; Gerhard Piecha; Lothar Schön; Matthias Übler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: DE102009053965A1; US8866479B2; CN102079845B; CN102079845A; US20110115488A1

Abstract

Gradientenspule, vergossen mit einer Vergussmasse, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse aus einem matrixbildenden Trägermaterial (8), einem oder mehreren Füllstoffen aus anorganischen Mikropartikeln (9) sowie wenigstens einem Füllstoff aus polymeren Nanopartikeln (10) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspule, welche mit einer Vergussmasse vergossen ist.
Gradientenspulen eines Magnetresonanzgeräts bestehen aus drei Teilspulen, mit deren Hilfe es möglich ist, magnetische Feldgradienten in den drei Raumrichtungen zu erzeugen. Die X- und Y-Spulen sind üblicherweise als Sattelspulen ausgebildet, die Z-Spule ist mittels einer Umfangswicklung realisiert. Die einzelnen Spulen können sowohl aus gebündelten einzelnen Leitern aufgebaut werden, aber auch dadurch, dass aus einer elektrisch leitfähigen Platte, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit geeignetem Bearbeitungsverfahren Trennstrukturen herausgearbeitet werden, das verbleibende Material stellt die Spulenwicklung dar. Die nach den unterschiedlichen Verfahren hergestellten Spulenwicklungen werden sodann mit einer elektrisch isolierenden Trägerplatte verklebt und beispielsweise in Form eines Halbzylindermantels gebracht. Die einzelnen Spulenlagen werden nacheinander auf einem zylindrischen Dorn montiert. Weitere Bestandteile des Spulenaufbaus sind Isolations- und Verstärkungslagen, eine oder mehrere Kühllagen bestehend aus Kunststoffschläuchen zum Durchführen eines Kühlfluids, üblicherweise Wasser, sowie gegebenenfalls sogenannte Shimspulen. Weitere Lagen im Spulenaufbau sind beispielsweise Sekundärwicklungen, die zur Abschirmung des von den Primärspulen erzeugten Magnetfelds nach außen dienen.
Der komplette Spulenaufbau wird mit einer Vergussmasse, einem Gießharz auf Epoxidharzbasis, vergossen, wobei alle Leiterzwischenräume lunker- und blasenfrei zu imprägnieren sind. An die Vergussmasse, also das Gießharz, sind eine Vielzahl von Voraussetzungen gestellt. So muss es zum einen eine hinreichend niedrige Verarbeitungsviskosität besitzen, um alle Leiterzwischenräume lunker- und blasenfrei ausfüllen respektive durchdringen zu können. Es sollte einen hohen E-Modul aufweisen, um eine hohe Gesamtsteifigkeit und eine positionsgenaue Festlegung der Einzelwicklungen der Spule gewährleisten zu können. Ferner sollte es eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, um einen effektiven Wärmetransport von den Leiterstrukturen, die sich im Betrieb erwärmen, zur Kühllage zu ermöglichen. Die Glasübergangstemperatur und damit auch die Warmformbeständigkeit sollte möglichst hoch sein, um im Einsatztemperaturbereich ein möglichst konstantes Eigenschaftsprofil zu besitzen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient sollte möglichst niedrig sein, bevorzugt nahe dem der weiteren verwendeten Materialien (Kupferleiter, Isolationslagen etc.), um mechanische Spannungen und dadurch bedingte Risse und Ablösungen im Spulenverbund bei einer betriebsbedingten Erwärmung oder Abkühlung von der Härtungstemperatur, bei welcher das Gießharz ausgehärtet wird, zu minimieren. Insbesondere sollte die Rissbeständigkeit sehr hoch sein. Die Rissbeständigkeit ist durch einen hohen kritischen Spannungsintensitätsfaktor K_1C gekennzeichnet, verbunden mit einer hohen kritischen Bruchenergie G_1C. Auch sollte die Teilentladungsfestigkeit hoch sein, um eine Schädigung des Formstoffs während der Betriebsdauer zu vermeiden. Der dielektrische Verlustfaktor sollte niedrig sein.
Üblicherweise werden als Vergussmasse speziell für großvolumige Spulen heißhärtende Gießharze auf Epoxidharzbasis verwendet. Die Gießmasse enthält typischerweise ca. 65% Füllstoff, beispielsweise Quarzmehl, Aluminiumoxid oder Wollastonit mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich, das heißt, dass der Füllstoff aus Mikropartikeln besteht.
Aus EP 1 850 145 A2 ist eine Vergussmasse respektive eine mit einer solchen Vergussmasse vergossene magnetische Spule bekannt, welche Vergussmasse mit mikropartikulären Füllstoffen sowie anorganischen Nanopartikeln versetzt ist. Mit diesen anorganischen Füllstoffen beziehungsweise Füllstoffkombinationen kann eine gute Rissbeständigkeit basierend auf einer Kombination eines hohen kritischen Spannungsintensitätsfaktors K_1C mit einer hohen kritischen Bruchenergie G_1C erreicht werden. Die Füllstoffzugabe bewirkt positive Veränderungen der zuvor erwähnten Eigenschaften des aushärtenden Vergussmassenformstoffs wie der Warmformbeständigkeit, der Risszähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit etc. Aus diesen Gründen wäre ein möglichst hoher Füllstoffgrad zweckmäßig. Andererseits wird durch den Füllstoffgehalt insbesondere das Fließverhalten der aufbereiteten Vergussmasse drastisch verschlechtert. Je höher der Füllstoffgehalt desto schlechter das Fließverhalten und damit die Eigenschaft, die gegebenen Leiterzwischenräume etc. lunker- und blasenfrei imprägnieren zu können. Es ist also stets ein Kompromiss hinsichtlich der Gießharzzusammensetzung zu finden. Insgesamt besteht Bedarf an einem Gießharz, das bei sehr guten Fließeigenschaften eine möglichst hohe Rissbeständigkeit, insbesondere bei hoher Glasübergangstemperatur, aufweist.
DE 103 45 139 A1 beschreibt ein härtbares Reaktionsharzsystem, insbesondere eine Vergussmasse, ein Laminier- oder Imprägnierharz, welches als Zweikomponentenmasse zu verarbeiten ist, und eine Harzkomponente, einen mineralischen Füllstoff und in der Harzkomponente dispergierte Polymerpartikel enthält, wobei der Füllstoff Nanopartikel umfasst.
DE 10 2006 039 638 B3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Nanokompositen aus agglomeriert vorliegenden Nanopulvern und organischen Bindemitteln. Durch Oberflächenmodifikation der Nanofüllstoffe in einem organischen Medium gelingt es die Agglomerate dauerhaft soweit zu zerteilen, dass transparente Nanokomposite erhalten werden können.
Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, eine Gradientenspule vergossen mit einem Gießharz, welcher gute Fließeigenschaften und eine hohe Rissbeständigkeit aufweist, anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß eine Gradientenspule, vergossen mit einer Vergussmasse, angegeben, wobei die Vergussmasse aus einem matrixbildenden Trägermaterial, einem oder mehreren Füllstoffen aus anorganischen Mikropartikeln sowie wenigstens einem Füllstoff aus polymeren Nanopartikeln besteht.
Die Vergussmasse zeichnet sich wie üblich durch eine matrixbildendes Trägermaterial sowie einen oder mehrere Füllstoffe aus Mikropartikeln aus. Erfindungsgemäß ist zusätzlich zu den mikropartikulären Füllstoffen auch wenigstens ein Füllstoff aus einem polymeren Nanopartikel vorgesehen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Zugabe polymerer Nanopartikel eine eklatante Verbesserung der die Rissbeständigkeit kennzeichnenden Parameter, nämlich des kritischen Spannungsintensitätsfaktors K_1C sowie der kritischen Bruchenergie G_1C bewirkt. Durch Zugabe polymerer Nanopartikel können diese die Rissbeständigkeit definierenden Parameter auch gegenüber Vergussmassen mit anorganischen Nanopartikeln deutlich verbessert werden.
Die Vergussmasse zeigt ein sehr gutes Fließverhalten, da dieses durch die zugegebenen polymeren Nanopartikel aufgrund der Partikelgröße nicht negativ beeinflusst wird, verglichen mit Vergussmassen, die lediglich mikropartikuläre Füllstoffe enthalten.
Die polymeren Nanopartikel können beispielsweise aus Polybutadien, Polystyrol oder einem Polysiloxan oder anderen Elastomeren, Thermoplasten oder Hybridmaterialien sein oder, wenn es sich, wie bevorzugt, um Core-Shell-Nanopartikel handelt (also Partikel, die aus einem Kern aus einem ersten Material und einer Hülle aus einem zweiten Material bestehen) einen dieser Stoffe enthalten. Diese Aufzählung ist jedoch nicht abschließend, selbstverständlich können auch andere polymere organische Nanopartikel eingesetzt werden. Es können polymere Nanopartikel eines Typs oder Mischungen aus unterschiedlichen Typen verwendet werden. Auch kann die Form und Größe der verwendeten Nanopartikel letztlich beliebig sein, beispielsweise sphärisch, faserförmig oder plättchenartig bei einer Größe von bevorzugt wenigstens < 1000 nm, insbesondere < 100 nm.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, zusätzlich wenigstens einen Füllstoff aus anorganischen Nanopartikeln beizumischen. Über anorganische Nanopartikel können weitere Parameter der Vergussmasse bei Bedarf eingestellt werden. Das heißt, dass erfindungsgemäß entweder nur polymere organische Nanopartikel oder Partikelmischungen enthaltend polymere und anorganische Nanopartikel verwendet werden können.
Die anorganischen Mikropartikel wie auch die anorganischen Nanopartikel können gewählt sein aus SiO₂, Al₂O₃, AlN, CaMg[CO₃]₂ (Dolomit), TiO₂, BN, Fe₂O₃, Fe₃O₄, ZnO, SiC, synthetischen Keramiken oder Zeolithen, Kreide, Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ (Talkum), CaSiO₃ (Wollastonit), rein kohlenstoffbasierten Partikeln oder Mischungen daraus. Auch hier kann die Form der Mikro- oder Nanopartikel beliebig sein, beispielsweise sphärisch, faserförmig oder plättchenartig. Die Oberfläche der Mikropartikel und Nanopartikel kann darüber hinaus auch modifiziert, beispielsweise silanisiert sein.
Wenngleich die Möglichkeit besteht, die polymeren Nanopartikel, gegebenenfalls auch die anorganischen Nanopartikel, zusätzlich zu den in ihrem Gehalt verglichen mit bekannten Vergussmassen nicht veränderten mikropartikulären Füllstoffen zuzugeben, sieht eine zweckmäßige Weiterbildung vor, dass zumindest die polymeren Nanopartikel, gegebenenfalls auch die anorganischen Nanopartikel, einen Teil der Mikropartikel substituieren. Das heißt, dass die Nanopartikel zu einem gewissen Prozentsatz die Mikropartikel ersetzen, woraus eine Reduzierung der Viskosität folgt, unterstellt, dass die Füllstoffmenge verglichen mit bekannten Vergussmassen gleich bleibt.
Wie bereits beschrieben sind die polymeren Nanopartikel, gegebenenfalls auch die anorganischen Nanopartikel, bevorzugt Core-Shell-Nanopartikel, also Partikel, die aus einem Kern aus einem ersten Material und einer Hülle aus einem zweiten Material bestehen. Diese Core-Shell-Nanopartikel können beispielsweise auf Polybutadien, Polystyrol oder einem Polysiloxan oder anderen Elastomeren, Thermoplasten oder Hybridmaterialien basieren, sofern es sich dabei um polymere organische Nanopartikel handelt.
Der mittlere Durchmesser oder die mittlere Länge, je nach dem, welcher Form die Nanopartikel, seien sie polymer oder anorganisch, sind, sollte ≤ 1000 nm, insbesondere ≤ 100 nm sein.
Die Nanopartikel, seien es polymere oder anorganische Nanopartikel, können jeweils nur eines Typs sein, oder jeweils Partikelmischungen aus mehreren Typen sein. Dabei sind unterschiedliche Kombinationen denkbar. Beispielsweise können zwei oder mehr unterschiedliche polymere Nanopartikeltypen mit einem Typ anorganischer Nanopartikel gemischt sein und umgekehrt, beliebige Kombinationen sind denkbar.
Der Gehalt an polymeren Nanopartikeln sollte maximal 20 Gew.%, vorzugsweise ≤ 10 Gew.% betragen. Sofern auch anorganische Nanopartikel verwendet werden, so sollte der Gesamtgehalt an Nanopartikeln ebenfalls nicht mehr als 20 Gew.% betragen, bevorzugt sollte der Gesamtgehalt ebenfalls ≤ 10 Gew.% sein.
Insgesamt zeigt die Vergussmasse mit den polymeren nanopartikulären Füllstoffen ein deutlich besseres Verhalten respektive deutlich bessere Eigenschaften als bekannte Vergussmassen. Polymere Nanopartikel, insbesondere in sphärischer Form, begünstigen grundsätzlich den Verguss. Filtrations- oder Sedimentationseffekte treten aufgrund der Partikelgröße und Partikelform nicht auf. Zusätzlich dringen sie in enge Spalten oder in bereits mit Gewebe gefüllte Bereiche vor, das heißt, dass es in diesen Grenzbereichen innerhalb der Spulenwicklung bei Verguss einer Gradientenspule zu einer Erhöhung der Füllstoffkonzentration durch polymere Nanopartikel kommt. Die Substitution von mikroskaligem, also mikropartikulären Füllstoff durch polymere Nanopartikel, beispielsweise Core-Shell-Nanopartikel, verbessert die bruchmechanischen Kennwerte signifikant, wobei dies nicht mit einem Rückgang der Glasüergangstemperatur verbunden ist. Gleichzeitig wird auch die Schlagzähigkeit erhöht. Dies äußert sich in einer erhöhten Schocktoleranz der nanomodifizierten Vergussmasse. Dies bewirkt insbesondere bei dem sehr komplexen mehrlagigen Aufbau einer vergossenen Spule eine verbesserte Eigenschaftsanpassung, insbesondere im Bereich der zahlreichen Grenzschichten. Eine homogene Verteilung im System, wie sie zur Reproduzierbarkeit der Eigenschaftsvorteile und Qualität notwendig ist, kann mit der Vergussmasse erreicht werden.
Weitere Vorteile Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Spule im Schnitt, und
2 ein Diagramm zur Darstellung des Viskositätsverlaufs einer Vergussmasse im Vergleich zu einer lediglich mikropartikuläre Füllstoffe enthaltenden Vergussmasse.
Die in 1 gezeigte supraleitende Spule 1 besteht aus einer Vielzahl einzelner Wicklungen 2 von aus Darstellungsgründen größer als real dargestellten Spulenleitern 3, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen. Die Spulenleiter 3 bestehen aus einem Kern 4, der das leitende Material enthält, sowie einer den Kern 4 umgebenden Isolation 5, beispielsweise aus einer Lack- oder Thermoplastschicht oder einem Kunststofffadengeflecht. Die einzelnen Wicklungen 2 werden hinreichend dicht gepackt gewickelt, die hier gezeigten Abstände und Zwischenräume 6 zwischen den einzelnen vertikalen und horizontalen Leiterlagen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit vergrößert dargestellt. Tatsächlich sind die Spalten zumeist deutlich kleiner. Auch enthält eine solche Spule in der Regel auch andere Lagen, z. B. eine Kühllage aus Kühlmittelleitungen und ähnliches, die hier jedoch nicht dargestellt, jedoch gleichermaßen vergossen werden.
Nach dem Wickeln der einzelnen Leiter ist es nun erforderlich, diese mit einer Vergussmasse 7 zu vergießen beziehungsweise zu imprägnieren, so dass die Leiter 2 vollständig in dieser Vergussmasse 7 eingebettet sind. Die Vergussmasse 7 besteht aus einem matrixbildenden Trägerwerkstoff 8, beispielsweise einem Epoxidharz auf Basis von Bisphenol-A, wobei natürlich auch andere matrixbildende Reaktionsharze verwendet werden können, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen respektive den Anforderungen im Betrieb standhalten. Die Vergussmasse 7 umfasst neben dem matrixbildenden Trägerwerkstoff 8 auch in den Trägerwerkstoff 8 eingebettete und dort weitgehend homogen verteilte Mikropartikel, also Füllstoffe mikropartikulärer Größe. Diese Mirkopartikel 9 sind beispielsweise gewählt aus SiO₂, Al₂O₃, AlN, CaMg[CO₃]₂ (Dolomit), TiO₂, BN, Fe₂O₃, Fe₃O₄, ZnO, SiC, synthetischen Keramiken oder Zeolithen, Kreide, Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ (Talkum), CaSiO₃ (Wollastonit), rein kohlenstoffbasierten Partikeln oder Mischungen daraus.
Weiterhin sind als weiterer Füllstoff polymere Nanopartikel 10 vorgesehen, bei denen es sich bevorzugt um Core-Shell-Nanopartikel beispielsweise auf Basis von Polybutadien, Polystyrol oder einem Polysiloxan oder anderen Elastomeren, Thermoplasten oder Hybridmaterialien oder ähnlichem handelt. Die polymeren Nanopartikel 10 sind ebenfalls in die fluide Vergussmasse gemischt, sie verteilen sich ersichtlich ebenfalls wie die mikropartikulären Füllstoffe im wesentlich homogen in sämtlichen Spalten oder Zwischenräumen 6 der einzelnen Leiterwicklungen beziehungsweise sonstigen Lagen. Die mittlere Partikelgröße der eingebrachten polymeren Nanopartikel sollte zwischen 0,5 nm–1000 nm, bevorzugt ≤ 100 nm liegen, wobei die Partikelform, wie auch die der mikropartikulären Füllstoffe, letztlich beliebig sein kann, also beispielsweise rundlich, sphärisch, länglich etc. Es kann sich bei den Nanopartikeln 10 um einen Partikeltyp handeln, aber auch um Mischungen unterschiedlicher Partikeltypen. Die maximale Konzentration der zugemischten Nanopartikel sollte 20 Gew.% des matrixbildenden Harzanteils nicht übersteigen, bevorzugt ist eine Konzentration von weniger als 10 Gew.%.
Möglich ist es auch, zusätzlich zu den polymeren Nanopartikeln 10 auch anorganische Nanopartikel, die hier nicht näher gezeigt sind, zuzumischen. Diese Nanopartikel können aus den gleichen Materialien wie die Mikropartikel bestehen.
Es hat sich gezeigt, dass bereits durch einen geringen Zusatz der polymeren Nanopartikel zu dem Epoxidharzsystem der Vergussmasse 6 die mechanischen Eigenschaften signifikant verbessert werden können, insbesondere die Rissbeständigkeit, die Schlagzähigkeit und die Haftung an benetzten Grenzflächen. Die Fließfähigkeit der Vergussmasse wird durch den geringen wirksamen Gehalt an Nanopartikeln und infolge der homogenen Verteilung und geringen Größe nicht negativ beeinflusst, das heißt, dass sich die Verteilung des Harzes in gleicher Weise wie bisher einstellt und folglich sich das Imprägnierverhalten der Vergussmasse nicht negativ ändert. Infolge ihrer minimalen Größe werden die Nanopartikel mit besonderem Vorteil auch nicht in Bereichen enger Spalten ausgefiltert, vielmehr ist es möglich, dass sie zusammen mit dem Trägerwerkstoff auch in extrem schmale Spalte eindringen und sich dort weitgehend homogen verteilen können.
In der nachfolgenden Tabelle sind verschiedene Eigenschaftskennwerte einer üblichen Vergussmasse, enthaltend 66 Gew.% eines mikropartikulären Füllstoffs und einer Vergussmasse, bei der 3,4 Gew.% polymere Nanopartikel und 62,6% mikropartikulärer Füllstoff enthalten sind (3,4% mikropartikulärer Füllstoff sind also durch polymere Nanopartikel ersetzt), einander gegenübergestellt. Der Trägerwerkstoff enthält als Harzkomponente jeweils ein modifiziertes Epoxidharz auf Basis von Bisphenol-A. Enthalten ist jeweils als Härterkomponente ein modifizierter Anhydridhärter auf Basis von Methylhexahydrophtalsäureanhydrid, als Beschleuniger wurde ein tertiäres Amin verwendet. Als mikropartikulärer Füllstoff wurde bei beiden untersuchten Vergussmassen jeweils Quarzmehl mit einer mittleren Partikelgröße von 20 μm und einer silanisierten Oberfläche verwendet. Als polymere Nanopartikel wurden sphärische Core-Shell-Nanopartikel auf Basis von Polybutadien mit einer Partikelgröße ≤ 100 nm eingesetzt.

In der Tabelle sind jeweils die Formstoffkennwerte, also die an entsprechenden Proben ermittelten Messwerte der ausgehärteten Vergussmasse zu den jeweiligen beiden untersuchten Vergussmassen dargestellt, wie auch die jeweiligen Messverfahren nach ISO oder DIN oder ASTM angegeben sind. Ferner ist jeweils die Probengeometrie angegeben. Die Probenkörper wurden jeweils in einem zweistufigen Härteverfahren ausgehärtet. In der ersten Stufe erfolgte die Härtung bei 80°C für 8 Stunden, in der zweiten anschließenden Stufe erfolgte die Härtung bei 140°C für 10 Stunden. Die jeweiligen gemessenen Feststoffkennwerte sind der linken Spalte zu entnehmen, die zweite Spalte gibt wie gesagt die Probengeometrie an. In der dritten Spalte sind die ermittelten Feststoffkennwerte für die jeweilige Probe bestehend aus matrixbildendem Trägerwerkstoff und 66% mikropartikulärem Füllstoff angegeben, während in der rechten Spalte die jeweiligen Feststoffkennwerte für die Vergussmasse mit 62,6% mikropartikulärem Füllstoff und 3,4% polymeren nanopartikulärem Füllstoff dargestellt sind.

Formstoffkennwert	Probengeometrie	66% (Mikrop.)	3,4% polymere Nanop. (62,6% Mikrop.)
Thermischer Längenausdehnungskoeffizient α [ppm] (ISO 11359-2)	3 × 3 × 4 mm	34	35
Glasübergang T_G [°C] (ISO 11359-2)	3 × 3 × 4 mm	103	109
Biegeelastizitätsmodul E [MPa] (DIN EN ISO 178) 5,0 mm/min	10 × 15 × 125 mm	8747 ± 511	7050 ± 276
Biegefestigkeit [MPa] (DIN EN ISO 178) 5,0 mm/min	10 × 15 × 125 mm	121 ± 9,2	121 ± 1,3
Schlagzähigkeit [kJ/m²] (DIN EN ISO 179)	10 × 15 × 125 mm	12 ± 1,2	15 ± 3,2
Mechanischer Verlustfaktor tan δ_mech [–] (DIN 65583)	10 × 15 × 125 mm	2,51·10^–2	2 41·10^–2
Speichermodul E' [MPa] (DIN 65583)	10 × 15 × 125 mm	8639	6930
Verlustmodul E'' [MPa] (DIN 65583)	10 × 15 × 125 mm	217	167
Zugelastizitätsmodul [MPa] (DIN EN ISO 527-2)	10 × 15 × 125 mm	12543 ± 564	9149 ± 586
Zugfestigkeit [MPa] (DIN EN ISO 527-2)	10 × 15 × 125 mm	76,5 ± 4,9	72,1 ± 0,7
Kritischer Spannungsinttensitätsfaktor K_1C [MPa√m] (in Anlehnung an ASTM E 399) Double Torsion	80 × 40 × 4 mm mittig V-Kerbe 60°	1,90 ± 0,04	2,75 ± 0,05
Kritische Bruchenergie G_1C [J/m²] (in Anlehnung an ASTM E 399) Double Torsion	80 × 40 × 4 mm mittig V-Kerbe 60°	337 ± 19	☐7 ± 36

Tabelle 1

Ersichtlich zeigt sich bei nahezu allen ermittelten Feststoffkennwerten bei der Vergussmasse eine Verbesserung. So nimmt im Vergleich zur nur mit Mikropartikeln versetzten Vergussmasse die Glasübergangstemperatur und die Schlagzähigkeit zu. Insbesondere bemerkenswert ist die signifikante Verbesserung des kritischen Spannungsintensitätsfaktors K_1C und der kritischen Bruchenergie G_1C, die maßgebliche Kriterien der Rissbeständigkeit sind. Das heißt, dass die mit den polymeren Nanopartikeln versetzte Vergussmasse deutlich rissbeständiger ist als eine vergleichbare Vergussmasse ohne diese polymeren Nanopartikel.

In der zweiten, nachfolgend wiedergegebenen Tabelle sind diese beiden zentralen Werte, nämlich der kritische Spannungsintensitätsfaktor K_1C und die kritische Bruchenergie G_1C für die Vergussmasse mit zugegebenen 66 Gew.% mikropartikulärem Füllstoff, für die Vergussmasse mit 62,6% mikropartikulärem Füllstoff und 3,4% anorganischem nanopartikulärem Füllstoff sowie für eine dritte Vergussmasse mit 62,6% mikropartikulärem Füllstoff und 3,4% polymerem nanopartikulärem Füllstoff in Form von sphärischen SiO₂-Nanopartikeln mit einer Partikelgröße von 20–30 nm (D50) angegeben. Das heißt, dass diese Tabelle einen guten Vergleich zwischen zwei Vergussmassen ermöglicht, die im einen Fall die erfindungsgemäß zugegebenen polymeren Nanopartikel und im anderen Fall keine polymeren, sondern lediglich anorganische Nanopartikel in gleicher Massenkonzentration aufweisen.

Formstoffkennwert	Formstoffkennwert	66% (Mikrop.)	3,4% anorganische Nanop. (62,6% Mikrop.)	3,4% polymere Nanop. (62,6% Mikrop.)
Kritischer Spannungsinttensitätsfaktor K_1C [MPa√m] (in Anlehnung an ASTM E 399) Double Torsion	80 × 40 × 4 mm mittig V-Kerbe 60°	1,90 ± 0,04	2,14 ± 0,06	2,75 ± 0,05
Kritische Bruchenergie G_1C [J/m²] (in Anlehnung an ASTM E 399) Double Torsion	80 × 40 × 4 mm mittig V-Kerbe 60°	337 ± 19	433 ± 25	987 ± 36

Tabelle 2

Angegeben ist wiederum in der linken Spalte der jeweils gemessene Formstoffkennwert, nämlich der kritische Spannungsintensitätsfaktor und die kritische Bruchenergie, in der zweiten Spalte die jeweilige Probengeometrie, in der dritten Spalte bleiben Feststoffkennwerte für die Vergussmasse mit lediglich mikropartikulärem Füllstoff von 66 Gew.%, in der vierten Spalte die Formstoffkennwerte bei Zugabe von 3,4% anorganischen Nanopartikeln und in der fünften Spalte die Formstoffkennwerte bei Zugabe von 3,4% polymeren Nanopartikeln.
Wie der Tabelle eindeutig zu entnehmen ist, kann eine eklatante Verbesserung durch Austausch der anorganischen Nanopartikeln gegen polymere Nanopartikel erreicht werden. So nimmt der kritische Spannungsenergieintensitätsfaktor K_1C von 2,14 ± 0,06 bei einer Vergussmasse mit 62,6% Mikropartikeln und 3,4 anorganischen Nanopartikeln auf 2,75 ± 0,05 bei der Vergussmasse mit 62,6% mikropartikulärem Füllstoff und 3,4% polymeren Nanopartikeln zu, eine Steigerung um ca. 30%.
Ähnlich verhält es sich mit der deutlich verbesserten Bruchenergie, diese nimmt von 433 ± 25 J/m² auf 987 ± 36 J/m² bei der Vergussmasse zu. Das heißt, dass eine eklatante Rissfestigkeitsverbesserung durch Austausch der anorganischen Nanopartikel gegen polymere Nanopartikel erreicht werden kann.
Eine Untersuchung des Fließverhaltens hat schließlich ergeben, dass der substituierende Nanopartikelzuschlag ein sehr gutes Fließverhalten bedingt. In 2 ist der Verlauf der Fließkurve (Kreissymbole) einer bisher verwendeten Vergussmasse enthaltend einen matrixbildenden Trägerwerkstoff aus modifiziertem Epoxidharz auf Basis von Bisphenol-A, einen Härter aus modifizierten Anhydrid auf Basis von Methylhexahydrophthalsäureanhydrid und einem Beschleuniger aus tertiärem Amin nebst 66% Mikropartikeln, verglichen mit einer Vergussmasse enthaltend die gleiche matrixbildenden Trägerwerkstoffe, 62,4% Mikropartikel und 3,6% polymere Nanopartikel aus Polybutadien in Core-Shell-Form (Kastensymbole). Wie 2 eindeutig zeigt, lässt sich eine deutliche Erniedrigung der Viskosität erreichen. Längs der Abszisse ist die Scherrate in s^–1, längs der Ordinate die Viskosität in mPa·s dargestellt. Die Aufbereitungstemperatur betrug 50°C, der Scherratenbereich 0,07–500 s^–1. Durch Zugabe der polymeren Nanopartikel wird die Viskosität im Scherratenbereich von 0,03–20 s^–1 deutlich reduziert, in weiten Bereichen um mehr als die Hälfte. Der Kurvenverlauf zeigt über den gesamten Scherratenbereich keinerlei Thixotropieeffekte.
Wegen des deutlich besseren Fließverhaltens könnte auch der Anteil an anorganischem Mikrofüllstoff wieder erhöht werden, um der in Tabelle 1 festgestellten Reduzierung des E-Moduls gegenzusteuern.
Bezugszeichenliste

1: supraleitende Spule
2: Wicklungen
3: Spulenleiter
4: Kern
5: Isolation
6: Abstände und Zwischenräume
7: Vergussmasse
8: Trägerwerkstoff
9: Mikropartikel
10: polymere Nanopartikel

Claims

Gradientenspule, vergossen mit einer Vergussmasse, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse aus einem matrixbildenden Trägermaterial (8), einem oder mehreren Füllstoffen aus anorganischen Mikropartikeln (9) sowie wenigstens einem Füllstoff aus polymeren Nanopartikeln (10) besteht.
Gradientenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polymeren Nanopartikel (10) aus Polybutadien, Polystyrol oder einem Polysiloxan oder anderen Elastomeren, Thermoplasten oder Hybridmaterialien sind oder dies beinhalten.
Gradientenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens ein Füllstoff aus anorganischen Nanopartikeln enthalten ist.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Mikropartikel (9) oder Nanopartikel gewählt sind aus SiO₂, Al₂O₃, AlN, CaMg[CO₃]₂, TiO₂, BN, Fe₂O₃, Fe₃O₄, ZnO, SiC, synthetischen Keramiken oder Zeolithen, Kreide, Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂, CaSiO₃, rein kohlenstoffbasierten Partikeln oder Mischungen daraus.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymeren Nanopartikel (10), gegebenenfalls auch die anorganischen Nanopartikel, sortenrein aus einem Material oder Core-Shell-Nanopartikeln sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser oder die mittlere Länge der polymeren Nanopartikel (10) und/oder der anorganischen Nanopartikel ≤ 1000 nm, insbesondere ≤ 100 nm ist.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass polymere Nanopartikel (10) und/oder anorganische Nanopartikel jeweils nur eines Typs oder jeweils eine Partikelmischung aus mehreren Typen vorgesehen sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an polymeren Nanopartikeln (10) maximal 20 Gew.%, vorzugsweise ≤ 10 Gew.% beträgt.