一种Bi2212磁体绝缘结构及其制备方法

一种bi2212磁体绝缘结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及超导磁体绝缘材料领域，具体涉及一种bi2212磁体绝缘结构及其制备方法。


背景技术：

2.bi2212 (即高温超导铋系bi2sr2cacuo
x
)超导材料具有优异的低温高磁场载流性能、高机械强度等优点，且是唯一可制备成各向同性圆线的高温超导材料，目前可使其成为采用常规制造方式制备cicc（管状电缆超导体）型高温超导导体的首选材料。
3.作为高温超导磁体的绝缘结构既要承担高场下超导磁体结构力学载荷要求，同时又需要满足高强度电气绝缘性能要求，其性能好坏影响整个磁体运行安全性和可靠性。然而，bi2212高温超导材料需要进行富氧环境且高压高温热处理，这为研制基于“先绕制后反应”工艺路线的bi2212超导磁体绝缘结构带来了许多新的工艺技术问题，一方面长时间的高温热处理（温度最高达到890℃）后结构中的纤维带力学性能下降，另一方面热处理后纤维带表面浸润剂碳化影响绝缘性能。
4.目前所用的绝缘材料—热固型环氧树脂及其复合材料体系，由于应力与温场的不断变化以及本身低温脆性及缺陷的存在，不可避免地导致其使用寿命和各项性能参数有所下降。
5.综上所述，目前所采用绝缘材料和传统的相关成型工艺技术并不能满足下一代bi2212高温超导磁体中绝缘结构所具备的高机械与电气等性能要求。


技术实现要素：

6.基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种bi2212磁体绝缘结构的制备方法，在所述方法中，选用特殊处理的纤维带并配合低温环氧树脂制备bi2212超导磁体绝缘结构可兼顾高力学性能和高绝缘性能，在4.2k低温下作为内插磁体可承受20t以上的强磁场（现有nb3sn磁体结构承受力仅在20t以内），而在20k高温下也具有较高的载流能力。
7.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种bi2212磁体绝缘结构的制备方法，包括以下步骤：（1）取氧化铝纤维带在400~600℃下保温2~5h；（2）将步骤（1）处理后的氧化铝纤维带包绕在bi2212超导体上形成匝间绝缘结构在880~900℃进行热处理；（3）取低温环氧树脂、稀释剂和固化剂混合并进行脱气处理，得混合树脂；（4）将步骤（2）包绕后的bi2212超导体置入真空环境的模具中，随后通入步骤（3）所得混合树脂并加热固化，冷却取出，即得所述bi2212磁体绝缘结构。
8.本发明所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法中，为了配合bi2212超导体本身需要长时间的高温热处理（温度最高达到890℃）的情况，选用热稳定性较高的氧化铝纤维作为绕包带，随后进行特定温度下的热处理，可进一步降低材料中的碳含量，使得整体的绝缘性
提高，同时也不会过多损失其原本的力学性能；当氧化铝纤维带对bi2212超导体进行包绕并进行高温热处理后，采用低温的环氧树脂进行注胶，可保障所得bi2212磁体绝缘结构的低温性能。所述制备方法相比于现有工艺大大简化了操作流程，所得产品相比于现有nb3sn磁体结构具有更优的使用性能。
9.同时，发明人经过实验发现，若预处理氧化铝纤维带的程度不足，难以提升产品整体的绝缘性能；但若处理程度过高，氧化铝纤维带本身的力学性能便会急速下降，达到35%以上的衰减率。
10.优选地，所述步骤（1）中的氧化铝纤维带的平均尺寸为0.2mm
×
25mm，组分为γ-al2o3和sio2；更优选地，所述氧化铝纤维带包括以下质量百分含量的组分：70~75%γal2o3以及25~30%sio2。
11.氧化铝纤维带在经过绕包形成匝间绝缘后将进行注胶处理，因此需要保障其绝缘性，采用上述尺寸的纤维带绕包处理效果更佳，同时在所述初始纯度下经过预处理后在后续工艺中几乎不会有游离杂质渗透入树脂体系中影响产品性能。
12.优选地，所述步骤（1）中氧化铝纤维带的保温在空气气氛下进行。
13.采用空气气氛下对氧化铝纤维带进行热处理，可进一步降低材料中碳含量，使得这种导电成分对产品整体的绝缘性能影响更低。
14.优选地，所述步骤（3）中低温环氧树脂为双酚 f 环氧树脂；更优选地，所述双酚 f 环氧树脂为gy282。
15.优选地，所述步骤（3）中的稀释剂为聚丙二醇二缩水甘油醚；更优选地，所述聚丙二醇二缩水甘油醚为dy 3601。
16.优选地，所述步骤（3）中的固化剂为二乙基甲苯二胺；更优选地，所述二乙基甲苯二胺为hy5200。
17.优选地，所述步骤（3）中低温环氧树脂、稀释剂、固化剂的质量之比为（58~62）：（38~42）：（20~22）。
18.为了保障混合树脂的注胶均匀性及快速固化性，需要有效协调三种上述组分的配比和种类，若协调不当，可能出现固化时间过长，固化温度过高，注胶不均匀等现象，这些情况均会导致产品的低温性能、绝缘性能或者力学性能受到影响。经发明人筛选，以上述种类和配比下产品实现的效果更佳。
19.优选地，所述步骤（4）中加热固化的温度为120~140℃。
20.本发明的另一目的在于提供所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法制备得到的bi2212磁体绝缘结构。
21.本发明所述bi2212磁体绝缘结构相比于现有nb3sn磁体结构具有更好的低温绝缘性能和力学性能，作为内插磁体使用时可突破20t以上的可承受磁场力，同时生产性价比高。
22.本发明的再一目的在于提供所述bi2212磁体绝缘结构在超导磁体器件制备中的应用。
23.本发明的有益效果在于：本发明提供了一种bi2212磁体绝缘结构的制备方法，在所述方法中，选用特殊处理的纤维带并配合低温环氧树脂制备bi2212超导磁体绝缘结构可
兼顾高力学性能和高绝缘性能，在某些情况下使用效果优于现有nb3sn磁体。本发明还提供了所述制备方法得到的bi2212磁体绝缘结构及其在超导磁体器件制备中的应用。
具体实施方式
24.若无特别说明，本发明实施例中所用原料均购自市场。
25.为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。
26.实施例1一种bi2212磁体绝缘结构及其制备方法的一种实施例，所述方法包括以下步骤：（1）取氧化铝纤维带（tp25s：苏州阿尔赛无机材料有限公司）在空气中600℃下保温2h；（2）将步骤（1）处理后的氧化铝纤维带包绕在bi2212超导体上形成匝间绝缘结构，对其进行必要的清洁和检查然后进行890℃热处理；（3）取低温环氧树脂（gy282）、稀释剂（dy3601）和固化剂（hy5200）按质量比60:40:21混合并进行脱气处理，得混合树脂；（4）将步骤（2）包绕后的bi2212超导体置入真空模具中，密封检漏，直至满足真空压力浸渍条件，随后调试整个真空反应系统（将真空浸渍罐、真空混料罐、真空树脂罐、真空固化剂罐以及真空注射罐均连接于真空抽气系统与温控系统，满足真空以及洁净度要求），通入步骤（3）所得混合树脂并设定加热程序，130℃加热固化32h，冷却至室温并拆除模具，即得所述bi2212磁体绝缘结构。
27.实施例2一种bi2212磁体绝缘结构及其制备方法的一种实施例，所述方法包括以下步骤：（1）取氧化铝纤维带（tp25s：苏州阿尔赛无机材料有限公司）在空气中500℃下保温4h；（2）将步骤（1）处理后的氧化铝纤维带包绕在bi2212超导体上形成匝间绝缘结构，对其进行必要的清洁和检查然后进行895℃热处理；（3）取低温环氧树脂（gy282）、稀释剂（dy3601）和固化剂（hy5200）按质量比58:42:21混合并进行脱气处理，得混合树脂；（4）将步骤（2）包绕后的bi2212超导体置入真空模具中，密封检漏，直至满足真空压力浸渍条件，随后调试整个真空反应系统（将真空浸渍罐、真空混料罐、真空树脂罐、真空固化剂罐以及真空注射罐均连接于真空抽气系统与温控系统，满足真空以及洁净度要求），通入步骤（3）所得混合树脂并设定加热程序，140℃加热固化28h，冷却至室温并拆除模具，即得所述bi2212磁体绝缘结构。
28.实施例3一种bi2212磁体绝缘结构及其制备方法的一种实施例，所述方法包括以下步骤：（1）取氧化铝纤维带（tp25s：苏州阿尔赛无机材料有限公司）在空气中400℃下保温5h；（2）将步骤（1）处理后的氧化铝纤维带包绕在bi2212超导体上形成匝间绝缘结构，对其进行必要的清洁和检查然后进行885℃热处理；
（3）取低温环氧树脂（gy282）、稀释剂（dy3601）和固化剂（hy5200）按质量比62:38:21混合并进行脱气处理，得混合树脂；（4）将步骤（2）包绕后的bi2212超导体置入真空模具中，密封检漏，直至满足真空压力浸渍条件，随后调试整个真空反应系统（将真空浸渍罐、真空混料罐、真空树脂罐、真空固化剂罐以及真空注射罐均连接于真空抽气系统与温控系统，满足真空以及洁净度要求），通入步骤（3）所得混合树脂并设定加热程序，120℃加热固化35h，冷却至室温并拆除模具，即得所述bi2212磁体绝缘结构。
29.对比例1本对比例与实施例1的差别仅在于，所述步骤（1）氧化铝纤维带不进行任何处理。
30.对比例2本对比例与实施例1的差别仅在于，所述步骤（1）中氧化铝纤维带在300℃下保温5h。
31.对比例3本对比例与实施例1的差别仅在于，所述步骤（1）中氧化铝纤维带在1000℃下保温2h。
32.对比例4本对比例与实施例1的差别仅在于，所述步骤（1）中氧化铝纤维带替换为玻璃纤维带。
33.效果例1为了验证本发明所述bi2212磁体绝缘结构的使用效果，将实施例1~3和对比例1~4所得产品进行拉伸强度测试、耐压强度测试，所述测试标准为astm d638、adtm d149。
34.结果下所示，实施例1：拉伸强度为543.3mpa，绝缘强度为29.2kv/mm；实施例2：拉伸强度为543.8 mpa，绝缘强度为28.7kv/mm；实施例3：拉伸强度为544.1 mpa，绝缘强度为28.5kv/mm；对比例1：拉伸强度为595.8mpa，绝缘强度为26.5kv/mm；对比例2：拉伸强度为572.1mpa，绝缘强度为27.4kv/mm；对比例3：拉伸强度为537.6mpa，绝缘强度为29.1kv/mm；对比例4：拉伸强度为290mpa，绝缘强度为28.6kv/mm。
35.可以看出，对比例1产品虽然拉伸强度较好，但是绝缘性能较差；对比例3产品的绝缘强度和实施例1 的绝缘强度性能相当，但是拉伸强度较差。当采用玻璃纤维带进行产品的制备时，所得产品的拉伸强度差且绝缘强度也不如实施例1产品，而实施例1产品的性能证实本发明bi2212磁体绝缘结构同时具备良好的拉伸性能和绝缘性能。
36.效果例2为了验证本发明所述产品中氧化铝纤维带经过预处理后的效果，对实施例1~3、对比例1~3所述制备方法中预处理后的氧化铝纤维带（对比例1中直接取不处理的氧化铝纤维带）进行强度测试和碳含量测试，测试方法分别为：强度测试参照gb/t7689.5,碳含量通过xps对表面c、al、o、si四种原子的含量进行测量，并计算碳原子比值。
37.结果如下所示，
实施例1：强度为1716n/25mm，强度保留率为89.66%，碳原子百分比at为13.38%；实施例2：强度为1724n/25mm，强度保留率为90.01%，碳原子百分比at为13.68%；实施例3：强度为1757n/25mm，强度保留率为91.80%，碳原子百分比at为13.84%；对比例1：强度为1914n/25mm，强度保留率为100%，碳原子百分比at为54.35%；对比例2：强度为1492n/25mm，强度保留率为77.95%，碳原子百分比at为49.93%；对比例3：强度为1420n/25mm，强度保留率为74.19%，碳原子百分比at为13.29%。
38.可以看出，未经过任何处理的对比例1的氧化铝纤维带强度（即各实施例/对比例所用原始氧化铝纤维带的初始强度）达到1716n/25mm，而实施例1中的预处理氧化铝纤维带可保留原料强度的89.66 %，同时，该纤维带的碳原子百分比含有也降低至13.38%；实施例2中的预处理氧化铝纤维带可保留原料强度的90.01%，同时，该纤维带的碳原子百分比含有也降低至13.68%；实施例3中的预处理氧化铝纤维带可保留原料强度的91.80%，同时，该纤维带的碳原子百分比含有也降低至13.84%；相比之下，对比例3产品强度衰减程度较差，难以应用在实际产品中。
39.最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）取氧化铝纤维带在400~600℃下保温2~5h；（2）将步骤（1）处理后的氧化铝纤维带包绕在bi2212超导体上形成匝间绝缘结构在880~900℃进行热处理；（3）取低温环氧树脂、稀释剂和固化剂混合并进行脱气处理，得混合树脂；（4）将步骤（2）包绕后的bi2212超导体置入真空环境的模具中，随后通入步骤（3）所得混合树脂并加热固化，冷却取出，即得所述bi2212磁体绝缘结构。2.如权利要求1所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的氧化铝纤维带的平均尺寸为0.2mm
×
25mm，组分为γ-al2o3和sio2。3.如权利要求1所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的氧化铝纤维带保温在空气气氛下进行。4.如权利要求1所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中低温环氧树脂为双酚 f 环氧树脂。5.如权利要求1所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的稀释剂为聚丙二醇二缩水甘油醚。6.如权利要求1所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的固化剂为二乙基甲苯二胺。7.如权利要求1所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中低温环氧树脂、稀释剂、固化剂的质量之比为（58~62）：（38~42）：（20~22）。8.如权利要求1所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中加热固化的温度为120~140℃。9.如权利要求1~8任一项所述bi2212磁体绝缘结构的制备方法制备得到的bi2212磁体绝缘结构。10.如权利要求9所述bi2212磁体绝缘结构在超导磁体器件制备中的应用。

技术总结
本发明公开了一种Bi2212磁体绝缘结构及其制备方法，属于超导磁体绝缘材料领域。本发明所述制备方法中，选用特殊处理的纤维带并配合低温环氧树脂制备Bi2212超导磁体绝缘结构可兼顾高力学性能和高绝缘性能，在某些情况下使用效果优于现有Nb3Sn磁体。本发明还公开了所述制备方法得到的Bi2212磁体绝缘结构及其在超导磁体器件制备中的应用。在超导磁体器件制备中的应用。


技术研发人员：刘志宏 孙静 陈文革 罗歆 吴杰峰 闫朝辉 王锐
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/5/25