纳米Al₂O₃填料对GdBCO线圈热

本文论述了当作浸渍材料使用的环氧复合材料中陶瓷填料对三个GdBCO线圈热领路性和电领路性的影响，这三个线圈辞别采选纯环氧树脂、环氧树脂/氮化铝复合材料以及环氧树脂/氮化硼复合材料进行浸渍。在冷却至77 K的过程中，由于填料具有高热导率，采选含氮化铝和氮化硼填料的环氧复合材料浸渍的线圈，其冷却时刻比仅用纯环氧树脂浸渍的线圈更短。此外，填料的加入有助于促进失超热耗散，并改善GdBCO涂层导体带材与环氧树脂之间热削弱的各别性。格外值得珍摄的是，采选环氧树脂/氮化硼复合材料浸渍的线圈在冷却、过电流以及重迭冷却测试中均弘扬出更优胜的性能。因此，环氧树脂/氮化硼复合材料可能是斥地高领路性超导旋转电机最灵验的浸渍材料，能显赫增强其可靠性。

一、先容

跟着电气和电子缔造行业的快速发展，团聚物当作电子缔造的封装材料关于普及热惩办恶果日益费事。在稠密团聚物中，环氧树脂因其高耐湿性、机械强度、易加工性、优异黏遵守和低本钱等优点，成为最常用的团聚物之一。这种高效与便利性使得环氧树脂适用于目下要求高机械可靠性和动态领路性的大功率高温超导旋转应用。在高温超导旋转电机的制造过程中，环氧树脂被本色应用于由多个高温超导跑说念型线圈组成的坚固场绕组中，这是因为高温超导线圈会受到动态指引引起的无谓要机械振动，以及飘浮洛伦兹力施加的非均匀空间负载散布的影响。

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干系词，在冷却过程中，使用环氧树脂浸渍的高温超导线圈可能弘扬欠安，因为高温超导带材与环氧树脂之间的热削弱不匹配会导致线圈的超导性能下落。此外，当线圈发生失超时，由于低导热性的环氧树脂封装，热门难以向外耗散。因此，高温超导线圈可能局部烧毁以至碰到历久性毁伤。

频年来，谈判东说念主员对使用买卖化环氧树脂（如 CTD 或Composite Technology Development,Inc. 公司的材料）浸渍的高温超导线圈的热学和电学步履进行了谈判。干系词，为了提高在过电流和重迭冷却要求下的性能，改善环氧树脂的热学和机械性能至关费事。在半导体行业，通过添加陶瓷填料来改善环氧树脂物感性能的谈判抓续进行。但为了将环氧树脂/填料复合材料应用于超导鸿沟，格外是在高温超导旋转电机中，需要斥地采选特殊填料的相宜环氧材料，以增强导热性并减少高温超导带材与环氧树脂在过电流和重迭冷却要求下的热削弱各别。

在本谈判中，谈判东说念主员通过冷却、过电流和重迭冷却测试，探讨了采选氮化铝和氮化硼粉末的环氧复合材料中陶瓷填料对浸渍GdBCO涂层导体线圈热领路性和电领路性的影响。此外，诈欺能量色散X射线光谱和背散射电子测量手艺，对含陶瓷填料的环氧复合材料的要素和颗粒分散情况进行了分析。

二、本质部分

01.环氧复合材料制备历程

表1列出了环氧树脂及填料材料的规格。本谈判采选Stycast 2850 FT环氧树脂当作高温超导线圈的浸渍材料。该环氧树脂的导热系数和热削弱系数辞别为1.15 W/m·K和111.5 ppm/°C。

表1 环氧树脂与填料材料规格。

为改善浸渍后高温超导线圈的热学和机械性能，咱们制备了两种本质室刚正的环氧复合材料：一种混入氮化铝粉末，另一种混入氮化硼粉末。氮化铝和氮化硼的颗粒面目辞别为多边形和六边形，其平均粒径约为10 µm。氮化铝和氮化硼的导热系数和热延长系数辞别为270 W/m·K、4.5 ppm/°C以及300 W/m·K、0.5 ppm/°C。

香港星云先进手艺有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，咱们为客户提供（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、顶端复合材料、压力容器）居品。

环氧复合材料的制备除名以下尺度：将50克Stycast 2850 FT与5克（分量占比10%）填料搀和；向搀和物中添加固化剂；随后在40°C下搅动搀和物45分钟。

02.线圈构造

表2列出了GdBCO单饼测试线圈的规格。该测试线圈由10匝GdBCO涂层导体带材绕制于胶木绕线管上组成，匝间使用Kapton胶带当作绝缘层。测试线圈的内径和外径辞别为80毫米和91毫米。线圈1、2和3在77 K温度下依据1 mV/cm判据测得的临界电流值辞别为125 A、122 A和126 A。

表2.GdBCO单饼线圈规格

图1展示了E型热电偶、电压抽头和环形铜箔的叮咛暗示图。为获取测试线圈在冷却测试中的温度散布，一个E型热电偶被装置在最外层（见图1(a)）。电压抽头装置在线圈两头以测量线圈总电压。一个高度为7.1毫米的铜箔被装置在线圈外半径3毫米缺点处（见图1(b)）。

图1. E型热电偶、电压抽头及环形铜箔叮咛暗示图：(a) 俯瞰图及 (b) 截面图。

图2展示了测试线圈浸渍过程的暗示图。每种制备好的环氧复合材料被用于填充线圈与铜箔之间的闲隙，随后线圈在室温下固化24小时。图3展示了辞别采选纯环氧树脂、环氧树脂/氮化铝复合材料以及环氧树脂/氮化硼复合材料浸渍的三个GdBCO线圈的像片。

图2. 测试线圈浸渍历程暗示图。

图3. 采选不同材料浸渍的GdBCO测试线圈像片：(a) 纯环氧树脂，(b) 环氧树脂/氮化铝复合材料，及 (c) 环氧树脂/氮化硼复合材料。

三 、递次与征询

01.环氧复合材料

图4展示了线圈1、2和3所用浸渍材料的能量色散X射线光谱分析图谱。在图4(a)的EDS谱中不雅测到碳、氧和铝峰，这是因为Stycast 2850 FT由环氧树脂、氧化铝、丁基-2,3-环氧丙基醚和炭黑组成。关于环氧树脂/氮化铝复合材料，终点检测到氮峰，且由于添加了氮化铝填料，铝峰的强度相对纯环氧树脂更高。图4(c)中环氧树脂/氮化硼复合材料的EDS谱昭着流久了硼峰和氮峰。如图5中的背散射电子图像所示，亮斑代表氧化铝和陶瓷填料，暗区代表环氧树脂基体。该图像确认氧化铝和添加剂在环氧基体中均匀分散。

图4. 能量色散X射线光谱分析谱图：(a) 环氧树脂，(b) 环氧树脂/氮化铝复合材料，及 (c) 环氧树脂/氮化硼复合材料。

图5. 背散射电子图像：(a) 环氧树脂，(b) 环氧树脂/氮化铝复合材料，及 (c) 环氧树脂/氮化硼复合材料。

02.冷却测试

冷却测试在液氮浴中进行，旨在谈判环氧树脂中添加填料对采选环氧复合材料浸渍的GdBCO单饼线圈冷却性能的影响。图6流露了线圈从室温冷却至77 K过程中赢得的温度变化弧线。线圈1、2和3达到77 K所需时刻辞别为468.1秒、429.8秒和356.3秒。这标明线圈2和3的冷却时刻比线圈1更快，因为氮化铝和氮化硼填料的添加促进了液氮与GdBCO线圈之间的热传递。此外，线圈3（环氧树脂/氮化硼复合材料）在冷却测试中弘扬出更优胜的性能，这意味着添加氮化硼填料可能是增强环氧树脂导热性的更灵验步履。

图6. 测试线圈从室温冷却至77 K过程中赢得的温度变化弧线。插图为便于对比而提供的放大视图。

03.电压-电流特色

图7展示了测试线圈浸渍前后的电压-电流弧线。临界电流值在液氮浴中（77 K）使用1 mV/cm的判据进行测量。浸渍前，线圈1、2和3的临界电流值辞别为125 A、122 A和126 A。浸渍后，线圈1的临界电流值镌汰了3.2%（121 A），而线圈2（122 A）和线圈3（126 A）的临界电流值未发生变化。测试递次标明，线圈2和3的超导性能未出现退化，这归因于陶瓷填料的添加改善了GdBCO涂层导体带材与环氧树脂之间的热削弱不匹配。

图7. 测试线圈在77 K下测得的电压-电流特色弧线，展示了环氧复合材料浸渍前与浸渍后的对比：(a) 线圈1，(b) 线圈2，及 (c) 线圈3。

比较之下，线圈1临界电流值镌汰3.2%标明，使用不含任何陶瓷填料的环氧树脂会导致超导电性退化，这是由于GdBCO涂层导体带材与环氧树脂之间热削弱各别引起的机械应力所致。

04. 过电流测试

图8展示了测试线圈的过电流测试递次。在过电流测试时间，供电电流以1 A/s的充电速度增多，随后保管在每个倡导电流值。当线圈总电压达到1.2 mV时，测试住手以防护线圈损坏。

图8. 线圈1 (a)、线圈2 (b) 及线圈3 (c) 的过电流测试递次。

关于线圈1，在1.00倍临界电流值时，总电压于113秒起首高潮，赶快达到0.23 mV并保管在0.25 mV，如图8(a)所示；在1.01和1.02倍临界电流值下的测试递次流久了相同的电压弧线，但电压更高，辞别领路在0.34 mV和0.50 mV。各电流值下的领路电压标明液氮冷却与过电流引起的焦耳热之间达到了热均衡。

干系词，当供电电流进一步增多至1.03倍临界电流值时，电压抓续高潮，标明发生了可能对线圈形成历久性毁伤的热失控清静。

关于线圈2和线圈3，激发电压热失控的电流辞别为1.04和1.06倍临界电流值，均高于线圈1的1.03倍临界电流值。这些递次标明，氮化铝和氮化硼填料的添加提高了环氧树脂的导热性，使得在发生失超时热门能更灵验地耗散。格外是线圈3的高热失控电流值（1.06倍临界电流值）施展，氮化硼可能是提高线圈在过电流要求下热领路性和电领路性的最灵验填料。

05.重迭冷却测试

为谈判填料材料对GdBCO带材与环氧复合材料之间热削弱的影响，通过以下尺度进行重迭冷却测试：将线圈冷却至77 K；测量线圈的临界电流值；将线圈回温至室温；重迭引申上述三个尺度。

图9流露了线圈1、2和3的重迭冷却测试递次。为便于精准比较，各线圈测得的临界电流值均归一化至其运转值。在第20次测试后，线圈1、2和3的归一化临界电流值辞别为0.898、0.983和0.991倍运转临界电流值。该递次标明，线圈2和3的临界电流值辞别退化1.6%和0.8%，远低于线圈1的9.9%退化率。线圈2和3退化进程的镌汰归因于氮化铝和氮化硼填料的添加，它们改善了GdBCO涂层导体带材与环氧树脂之间的热削弱各别。总体而言，在波及重迭冷却的应用场景中，环氧树脂/氮化硼复合材料当作浸渍材料更能提高线圈的可靠性。

图9. 线圈1、2及3的重迭冷却测试递次。

四、论断

为谈判环氧复合材料中陶瓷填料对环氧浸渍线圈热领路性和电领路性的影响，对三个GdBCO线圈辞别进行了冷却、过电流和重迭冷却测试，这三个线圈辞别采选纯环氧树脂（线圈1）、环氧树脂/氮化铝复合材料（线圈2）和环氧树脂/氮化硼复合材料（线圈3）浸渍。

冷却测试递次标明，线圈1、2和3达到77 K所需时刻辞别为468.1秒、429.8秒和356.3秒，这标明采选环氧树脂/填料复合材料浸渍的线圈比仅用纯环氧树脂浸渍的线圈具有更好的冷却性能。这是因为在环氧复合材料中添加氮化铝和氮化硼填料促进了液氮与GdBCO线圈之间的热传递。

在过电流测试中，线圈2和3激发电压热失控的电流辞别为1.04和1.06倍临界电流值，均高于线圈1的1.03倍临界电流值，标明通过向环氧树脂中添加氮化铝和氮化硼填料，增强了浸渍GdBCO线圈的传热性能。此外，重迭冷却测试递次标明，线圈2和3的临界电流值辞别退化1.6%和0.8%，远低于线圈1的9.9%退化率。采选环氧树脂/填料复合材料浸渍的线圈退化进程镌汰，归因于氮化铝和氮化硼填料的添加改善了GdBCO涂层导体带材与环氧树脂之间的热削弱各别。

总体而言，采选环氧树脂/氮化硼复合材料浸渍的线圈在冷却、过电流和重迭冷却测试中均弘扬出最优胜的性能。因此，环氧树脂/氮化硼复合材料可能是斥地高领路性、高可靠性超导旋转电机的最灵验浸渍材料。

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