聚变堆高温超导磁体用先进低温绝缘材料研发

需求的背景和应用场景

随着全球能源需求的持续增长及环境保护意识的增强，核聚变能作为一种清洁、高效且几乎不产生污染物的能源形式，其研发与应用受到了广泛关注。聚变堆作为实现核聚变能商业化应用的关键设备，其性能的提升直接关乎聚变能的利用效率和可行性。高温超导磁体是聚变堆中的核心部件之一，它能在极高磁场下稳定工作，对于提高聚变堆的能效和稳定性至关重要。然而，高温超导磁体在极低温度环境下（如4.2K）的运行对绝缘材料提出了极高的要求，包括优异的力学性能、电学性能以及长期稳定性。当前，市场上现有的低温绝缘材料在满足聚变堆高温超导磁体的特殊需求方面存在明显不足，如力学性能不佳、电学性能不稳定或工艺适应性差等问题，严重制约了聚变堆技术的进一步发展与应用。因此，针对聚变堆高温超导磁体的应用需求，研发出力学性能优异的低温绝缘材料，对于推动聚变堆技术的突破与商业化进程具有重要意义。

要解决的关键技术问题

1. 材料构效关系分析与前体树脂设计：首先，需深入分析现有低温绝缘材料的构效关系，明确材料性能与结构之间的内在联系。在此基础上，对前体树脂进行结构设计，通过化学合成方法制备出具有特定结构的前体树脂，以满足低温绝缘材料对力学性能、电学性能及加工性能的综合要求。同时，开展固化动力学研究，优化固化工艺参数，确保材料在固化过程中形成稳定的网络结构，提高材料的力学性能。此外，还需对树脂的粘度性能进行研究，以确保材料在浸渍过程中的良好浸润性和流动性。
2. 低温绝缘材料制备与增强机制研究：利用设计合成的前体树脂，通过特定的制备工艺制备出低温绝缘材料，并对其力学性能进行详细测试与评估。重点研究材料的增强机制，如通过添加纳米填料、纤维增强等方式提高材料的强度和韧性，确保材料在极低温度下的稳定工作。同时，还需关注材料的电学性能，确保其在高磁场、低温环境下的绝缘性能满足聚变堆高温超导磁体的特殊要求。
3. 真空浸渍工艺研究与性能评价：针对聚变堆高温超导磁体的特殊应用环境，开展低温绝缘材料的真空浸渍工艺研究。优化浸渍工艺参数，确保材料能够均匀、完整地浸渍到磁体结构中，提高材料的浸渍效率和浸渍质量。同时，在4.2K和77K的低温环境下对材料的力学性能和电学性能进行综合评价，确保材料在实际应用中的可靠性和稳定性。

效果要求

本项目旨在研发出力学性能优异、电学性能稳定且适用于聚变堆高温超导磁体的低温绝缘材料。通过解决现有材料在力学性能、电学性能及工艺适应性等方面的不足，为聚变堆高温超导磁体的建设提供坚实的材料基础。所研发的低温绝缘材料应具有以下特点：

• 优异的力学性能：在4.2K极低温度下仍能保持较高的强度和韧性，满足聚变堆高温超导磁体对材料力学性能的苛刻要求。
• 稳定的电学性能：在高磁场、低温环境下具有良好的绝缘性能，确保磁体的稳定运行。
• 良好的工艺适应性：易于加工和成型，适用于聚变堆高温超导磁体的复杂结构。
• 创新性：通过材料设计、制备工艺及增强机制的创新研究，形成具有自主知识产权的低温绝缘材料技术体系，提升我国在聚变堆技术领域的核心竞争力。