国际支持的ITER核聚变反应堆正在法国组装，其环向场（TF）线圈将成为迄今为止组装的最大超导磁体系统的一部分。由于预期的相对较高的辐射剂量，TF线圈将采用氰酸酯/环氧混合绝缘。据估计，这一应用将代表迄今为止氰酸酯树脂的最大使用量。尽管国家球形环面实验（NSTX）和Wendelstein 7-X的磁体线圈已成功使用氰酸酯/环氧混合绝缘制造，但ITER TF线圈的巨大尺寸为处理如此大量的液态氰酸酯材料带来了新的挑战和担忧。处理氰酸酯/环氧树脂可能需要与处理纯环氧树脂不同的设备和程序。特别是，氰酸酯/环氧体系以其高能量聚合反应而闻名，在大规模处理时需要格外小心，以尽量减少失控反应的风险。为了支持ITER TF线圈制造商，LORD公司和CTD公司（Composite Technology Development, Inc.）已经认证了两种氰酸酯/环氧树脂体系，CTD-425和CTD-435，并展示了加工的稳健性以及专门设计的固化曲线，这将使线圈制造商能够自信地采用他们首选的树脂浸渍工艺，即使在ITER项目的非常大的规模上也是如此。将介绍进行的固化实验以及LORD CTD-435的推荐固化曲线和处理实践。

　　在20世纪80年代，一个国际支持的项目启动，目标是开发核聚变作为一种替代的、环境友好的能源。这一努力在2007年正式成为国际热核聚变实验堆（ITER）组织。ITER聚变装置的建设包括一个由48个超导磁体组成的系统。这些磁体分为4种类型：18个环向场线个极向场线个中心螺管线个校正线圈（CC）。这些磁体用于约束和塑造高温等离子体，以实现聚变能源的产生。

　　TF线圈是ITER磁体中最大且可能最复杂的。它们具有D形几何形状，宽9米，高16.5米。这些线圈将采用电缆在管道（CIC）结构，并使用Nb3Sn超导体，通过超临界氦气冷却至5 K。每匝的运行电流为68 kA，每个线 MA·匝。这导致总磁能为40.2 GJ，最大磁场为11.8 T。

　　由于TF线圈的尺寸巨大且绝缘材料将暴露在高辐射剂量下，因此TF线圈的绝缘是一个重大挑战。绝缘将由共绕的、半重叠的玻璃纤维和聚酰亚胺胶带组成，这些胶带将被浸渍以热固性聚合物。由于TF线圈的尺寸巨大，浸渍材料必须具有低粘度和长适用期，以便线圈能够完全且均匀地被浸渍。此外，热固性聚合物必须具有高辐射抗性，以确保设备的长期可靠性。ITER国际组织（IO）此前已建立了TF线圈绝缘材料的规格，如表一所示。

　　香港星云先进技术有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，我们为客户提供（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、尖端复合材料、压力容器）产品。

　　Composite Technology Development, Inc.（CTD）先前的研究表明，氰酸酯材料具备绝缘大型超导磁体所需的加工和性能特性。此外，先前的辐照研究表明，氰酸酯具有足够的辐射抗性，能够承受全球正在开发的聚变装置预期的辐射水平。

　　尽管ITER TF线圈将是迄今为止氰酸酯的最大应用，但氰酸酯此前已用于较小磁体的真空压力浸渍（VPI）。例如，2006年制造了一个用于兆安球形托卡马克（MAST）升级的测试线圈。对于这一应用，选择了一种全氰酸酯树脂，CTD-403。生产后，该线圈经过各种测试，表明氰酸酯绝缘提供了MAST所需的性能。此外，作为准极向恒星项目的一部分，制造了各种次尺寸导体组件，并且为ITER制造了专门的测试件。最近，普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）与埃弗森特斯拉合作，使用CTD-425氰酸酯/环氧体系为德国格赖夫斯瓦尔德的马克斯普朗克等离子体物理研究所（IPP）制造了1089 kg（2400 lb）的Wendelstein 7-X恒星（W7-X）的修整线圈。

　　为了满足长加工时间和高辐射抗性的需求，CTD和LORD公司开发了两种氰酸酯/环氧体系，CTD-425和CTD-435。这些体系被设计为满足ITER TF线圈的树脂规格。CTD-425层压板在0°和90°方向上的层间剪切强度（ILSS）不受辐照影响，而CTD-435层压板在辐照后ILSS降低了约20%。在所有情况下，测量的ILSS值均超过了TF线 MPa平面内剪切应力，表明这两种材料在辐照后都能为ITER提供足够的剪切强度。基于这些结果，ITER IO在2010年5月认证了CTD-425，在2011年12月认证了CTD-435。

　　三位ITER TF线圈制造商（位于欧洲和日本）最终选择了LORD CTD-435作为众多竞争候选材料中的绝缘材料。影响这一选择的关键因素包括CTD-435异常长的适用期，以及开发了一种固化曲线，可以在指定的最大温度和时间内成功且安全地固化大质量的纯（未增强）树脂，例如可能出现在大型TF线圈的进出口端口内的树脂。

　　氰酸酯树脂的商业使用可以追溯到20世纪60年代，此后在航空航天和电子工业中发现了许多用途。其化学结构由氰酸酯（-O-C≡N）官能团定义，通常连接到芳香环上。除了环形成自缩合反应外，氰酸酯还可以与其他官能团（如环氧基团）反应，形成多种有用的聚合物材料。氰酸酯和环氧树脂混合物的假设反应机理如图2所示。

　　在没有催化剂的情况下，反应凝胶时间仅略微依赖于初始环氧基团的分数。随后，环状异氰脲酸酯与环氧基团的反应可以导致一系列复杂的插入和重排反应，最终形成一个交联聚合物网络，其组成取决于聚合度。环氧基团中的常见杂质，如羟基，可以影响凝胶时间。氰酸酯被胺类物质污染（例如与水分缓慢反应形成氨基甲酸酯）也会导致反应速率增加。此外，还发现一系列过渡金属盐和螯合物可以作为聚合反应的催化剂或助催化剂。

　　氰酸酯基绝缘材料与传统环氧树脂在磁体线圈中的使用的一个区别在于这种放热反应在固化过程中释放的能量量。通过差示扫描量热法（DSC）分析表明，CTD-435的固化能量可以大于400 J/g，如图3所示。相比之下，环氧绝缘树脂CTD-101K的固化能量约为50 J/g。

　　由于这种高能量释放，在浸渍和固化过程步骤中，特别是在接近ITER TF线圈规模时，必须小心处理氰酸酯/环氧混合物以确保安全。

　　每个ITER反应堆的TF线°C下进行，而浸渍如此大体积树脂的过程可能需要数天才能完成，特别是如果遇到任何设备问题的话。使用如此大体积的树脂，并在高温下长时球盟会官方网站间保存，引发了对树脂适用期和意外反应加速（失控）的双重担忧。这些因素促使了对LORD CTD-435的仔细开发和最终选择，用于ITER应用。

　　为了成功完成线圈浸渍，所选树脂必须具有适当的低粘度，并且能够在完成该过程所需的时间内保持该粘度，最好还能远远超出。如图4所示，CTD-435的粘度在60°C下即使经过200小时的暴露，仍然保持在100厘泊以下。影响氰酸酯/环氧体系的元素包括功能单体的选择、单体纯度和催化剂。

　　LORD CTD-435的稳定性，体现在其长适用期，为ITER TF线圈的绝缘提供了几个优势。例如，尽管将进行几次中间规模的浸渍实验，但在制造全尺寸线圈时，一些加工不确定性无疑仍然存在。这带来了加工延迟的可能性，可能会大大延长浸渍所需的时间，远远超出估计的最大值100小时。相比之下，LORD CTD-425的粘度在不到60小时内就上升到了目标最大粘度100厘泊（见图4）。

　　LORD CTD-435的出色稳定性对ITER应用的另一个优势是，它降低了意外失控（失控）反应的风险，这在处理数百或数千千克混合树脂时会特别令人担忧。当然，这也提高了避免树脂产品受到杂质污染的重要性，例如胺类或过渡金属，这些杂质可能会加速聚合反应。LORD CTD-435的储存和处理的更多细节已记录在球盟会官方网站“LORD CTD-435树脂系统应用过程”指南中。

　　可能预期CTD-435的额外反应稳定性也应该转化为需要更长或更高温度的固化周期才能达到所需的聚合物性能。通过仔细实验，最终发现CTD-435可以在不超出ITER TF线圈制造商定义的期望时间和最大温度的情况下实现可接受的固化。固化曲线优化的主要挑战是确定也能安全避免失控放热反应的条件。

　　CTD-435在ITER认证期间开发的初始树脂固化曲线如表二所示。固化总时间为68小时，最高温度为150°C。聚合度（间接）通过玻璃化转变温度（Tg）确定，要求通过动态机械分析（DMA）的储能模量斜率截距高于150°C。

　　尽管此固化曲线成功用于ITER对CTD-435的认证，以及用于绝缘其他有限尺寸的测试件，但TF线圈制造商对固化过程中可能产生的极端热量表示担忧，因为如图3所示的DSC数据。特别是，由于D形线圈的几何形状，TF线圈的树脂注入系统附近可能存在相对较大的纯树脂质量。由于ITER TF线圈的尺寸极大，树脂浸渍管道的内径可能设计得高达80毫米。认识到在这些大质量的纯树脂中，氰酸酯失控放热的风险，制造商要求提供证据，证明CTD-435可以在这种配置下成功且安全地固化。

　　这促使进行实验，直接测量在固化过程中纯树脂质量内的反应放热。首次实验测量了直径为10毫米的CTD-435树脂质量中心的温度。一个304不锈钢圆柱体被填充到120毫米的高度，内部放置了一个热电偶。将样品放入一个按照表二中的固化曲线编程的强制空气烤箱中。实验结果如图5所示。

　　使用10毫米直径的树脂质量，样品内的温度紧密跟踪烤箱温度，除了在烤箱温度达到150°C时观察到的峰值附近。请注意，这与DSC测量的峰值能量输出的位置一致，如图3所示。即使存在这种与烤箱温度的轻微偏差，很明显，通过10毫米直径的CTD-435树脂质量的热量传递足以防止失控放热。通过DMA对固化样品进行验证，确认Tg高于所需的150°C。

　　接下来的固化实验使用了50毫米直径的树脂质量，这是至少一个TF线圈制造商指定的最小入口直径。重复测量固化过程中实际样品温度，结果如图6所示。

　　请注意，当样品温度超过180°C时，实验实际上被停止了，加速的加热率表明失控放热和潜在的失控反应。同样，这种放热与DSC中测量的峰值热流点相对应，如图3所示。

　　因此，面临的挑战是开发一种CTD-435的固化曲线毫米的纯树脂质量中成功且安全地固化。最初使用DSC进行实验，因为在之前的工作中观察到DSC与烤箱固化放热之间有很好的相关性。第一个概念验证是通过将热量“分散”在时间上来减少峰值热流。在DSC中，这是通过在100°C下保持25小时后，缓慢地逐步升温至150°C来实现的。该实验的热图如图7所示。

　　在这个实验中有一个有趣的发现。图3中观察到的单一热流峰值通过这种技术显著降低（变宽），并分裂成两个不同的放热峰。这两个放热峰可以被视为对应于聚合中的“凝胶化”和“固化”步骤的分离，这两个步骤在初始固化曲线中同时发生，产生了大的单一热流。它也可以对应于第二节A部分和图2中描述的两个单独的反应步骤。需要进一步的工作来明确证明这种关系。

　　显然，延长升至150°C的升温时间实现了消除尖锐反应放热峰的目标，但它也显著延长了完成固化所需的时间，这是TF线圈制造商无法接受的。因此，下一步优化过程是建立在原始68小时时间内的可控固化条件下。最终发现，将初始保持温度从100°C改为120°C，并将保持时间延长至40小时，将使大部分反应在相对较低的温度下发生，并显著降低在大树脂质量内失控放热的风险。该实验的DSC曲线所示。

　　当然，下一步是证明直径为50至80毫米的LORD CTD-435树脂质量可以使用这种技术成功固化。将直径为50、70和80毫米的圆柱体填充到120毫米的高度，并使用表三所示的温度曲线进行固化。

　　请注意，升温速率和最高温度在该固化曲线中也有所调整，以满足线小时加工时间，同时实现所需的聚合度（Tg）。该实验收集的数据如图9所示。在这个图中，可以再次注意到两个单独的放热峰的存在，与图8中的DSC数据相对应。此外，达到峰值放热的时间和达到的最大温度取决于样品的直径（质量）。最重要的是，即使在直径为80毫米的纯树脂质量的极端情况下，也实现了固化，而没有失控放热。

　　图8. 使用优化固化曲线减少峰值热流并同时最小化加工时间的CTD-435的DSC热图。

　　成功固化曲线°C下异常长的适用期和优异的固化材料性能，使TF线圈制造商对选择LORD CTD-435用于ITER应用充满信心。

　　ITER超导TF线圈的电气绝缘代表了迄今为止氰酸酯树脂的最大应用。LORD CTD-435氰酸酯/环氧树脂的配方，结合特定的单体组合以及精心设计的浸渍和固化工艺参数，使得这种高性能材料能够安全有效地应用于如此大规模的应用。

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