中國科學院等離子體物理所正在設計建造的HT-7U托卡馬克(TOKAMAK)裝置是世界上先進的可控熱核聚變實驗研究的裝備。低溫超導磁體是該裝置中的兩大關鍵部分之一。磁體中層與層之間(又稱層間絕緣)、匝與匝之間(匝間絕緣)及整個磁體的外圍(對地絕緣)都是由絕緣膠和玻璃絲布復合構成的絕緣部分。由于磁體的絕緣結構受裝置的空間尺寸和形狀限制,絕緣浸漬工藝中可能會使絕緣體產生某些小的缺陷,材料在低溫下的性能的穩(wěn)定可靠性等因素都會威脅到裝置安全可靠性,尤其是超導磁體線圈的內部結構非常復雜,成型后的線圈質量無法逐層進行無損檢測,對某些部位甚至可以說無法檢測。因此低溫環(huán)氧復合材料絕緣層是有很大的風險的,必須大大提高絕緣層的可靠性。
聚酰亞胺薄膜不僅具有優(yōu)良的耐熱性能、突出的力學性能以及電氣性能,而且具有良好的低溫性能、冷熱收縮應力小、抗輻射性能強和良好耐磨自潤滑性能而被廣泛應用在大型高能物理實驗裝置的磁體線圈中。在高能物理類實驗裝置的低溫超導線圈中,聚酰亞胺薄膜的作用是:
(1)利用聚酰亞胺薄膜良好的絕緣性能,直接提高磁體線圈的絕緣性能,1mil厚的聚酰亞胺薄膜在液氮溫度下的電氣強度超過10kV,在液氦溫度下的電氣強度更高;
(2)聚酰亞胺薄膜比其它薄膜材料具有更高的抗輻射性能,優(yōu)良的輻射穩(wěn)定性,利用它可以增強超導磁體線圈絕緣結構抗輻射性能(裝置運行時快中子輻射可達1O∞~1021n/cm。):
(3)在超導線圈的工作溫度下,當線圈絕緣的環(huán)氧基體材料中存在微裂紋時,由于聚酰亞胺薄膜的存在,可以有效地防止裂紋的進一步擴展,有效地防止或削弱超導磁體線圈的“鍛煉效應”和過早的失超;
(4)聚酰亞胺薄膜表面摩擦系數小(
聚酰亞胺薄膜在大型低溫超導磁體線圈中的應用提高了絕緣層的性能,從而可以提高HT-7U 托卡馬克裝置的安全可靠性。通過選擇適合的表面處理方法進一步改善了聚酰亞胺薄膜與環(huán)氧樹脂的粘接性能,提高了絕緣層的性能。