国际热核聚变实验堆（ITER）中心螺管的真空压力浸渍的成功对于磁体系统的成功至关重要环氧管 。通过织物床的流体流动分析极为复杂，且无法获得完整的解析解，但可以采用半经验方法来模拟这些流动。评估了几种这样的模型，以预测液体树脂通过增强玻璃纤维毡的浸渍特性，并进行了实验来验证这些模型。对施加的压差、玻璃纤维体积分数、树脂粘度和浸渍时间进行了分析研究。从这次优化的结果来看，使用高加工温度树脂体系在大规模浸渍中具有显著优势，因为它们具有较低的粘度和更长的使用寿命，且对于大规模浸渍可能是必不可少的。
一、引言
大型超导磁体线圈的制造场景，例如国际热核聚变实验堆（ITER）的中心螺管（CS），通常包括真空压力浸渍（VPI）或树脂传递模塑（RTM）操作环氧管 。需要一个步骤，将液体有机树脂引入磁体结构中，以填充增强材料、粘结层和匝间绝缘，将绝缘与导管和磁体结构粘结，并填充间隙以形成整体结构。ITER中心螺管磁体的尺寸是前所未有的，其整体尺寸为高度12米，直径5.5米，每匝都有绝缘包裹，各层之间有层间绝缘。目前正在设计的CS模型线圈高度为1.8米，直径为2.7米。必须确保这些线圈的完全浸渍，因为任何绝缘失效都会危及整个反应堆系统。需要多个树脂注入口，并且必须优化这些注入口的数量和间距。东芝公司最近的相关工作研究了用液体树脂填充平行平板模具，但没有包括磁体线圈绝缘所需的玻璃纤维织物的浸渍。目前的工作旨在探索适用于大型磁体线圈浸渍的多孔介质中流体流动的分析方法。所得分析结果可用于优化ITER CS线圈的浸渍参数。
二、分析
达西定律是一个经验关系，它表明通过多孔介质的流动与压力梯度成正比环氧管 。在一维情况下：
\[ Q = \frac{SKA\Delta P}{\mu x} \]
其中，\( Q \) 为体积流量（m³/s），\( S \) 为渗透率（m²），\( A \) 为横截面积（m²），\( \Delta P \) 为压降（Pa），\( \mu \) 为粘度（Pa·s），\( x \) 为流动方向上的距离（m）环氧管 。压降项必须包括施加的压力和真空、重力以及界面表面能效应。渗透率是一个取决于多孔介质堆积特性的常数，将在后文进一步讨论。
体积流量与一维流动中流体前沿的表观速度有关：
\[ Q = A(1 - v_f)\frac{dx}{dt} \]
其中，\( v_f \) 为纤维体积分数，\( \frac{dx}{dt} \) 为流体前沿的表观速度环氧管 。\( (1 - v_f) \) 项考虑了纤维体积分数，这部分被排除在流体流动之外。将两个表达式等同，并对时间积分以达到距离 \( h \)，得到浸渍距离随时间的函数关系：
\[ h = \frac{SKA\Delta P}{\mu(1 - v_f)}t \]
在各种条件下确定渗透率 \( S \) 已经是众多研究的主题环氧管 。试图将渗透率与孔隙率、孔径和颗粒尺寸分布、颗粒形状、曲折度和比表面积等因素联系起来，取得了不同程度的成功。这些分析中的许多因素无法直接通过分析或独立实验确定。由于这些因素的值通常是从流动实验中推断出来的，因此它们实际上成为事后确定的可调参数。
在树脂通过玻璃纤维织物床的流动情况下环氧管 ，Carman-Kozeny方程被用来将渗透率与纤维体积分数联系起来：
\[ S = \frac{(1 - v_f)^3}{15k_f v_f^2} \]
其中，\( r_f \) 为纤维半径，\( k_f \) 为“Kozeny常数”，下标 \( f \) 表示渗透率和流动的方向环氧管 。在一维分析中，下标被省略。Carman-Kozeny关系基于水力半径分析，利用了渗透率的量纲为面积这一基本观察结果。它假设该面积与多孔介质中流动通道的横截面积相关的“水力半径”有关。孔隙率在分析中被考虑，但仍然存在一个可调常数。
尽管对Carman-Kozeny分析提出了严重保留意见，但在特定条件下，包括树脂通过纤维填充床的流动，已显示出与实验有合理的一致性，该模型已被广泛使用，并通过调整常数以与实验一致环氧管 。
三、实验
两种候选VPI树脂（见表1）的粘度 - 时间曲线通过Hagen-Poiseuille管流实验确定，使用已知粘度的流体进行校准环氧管 。结果如图1所示。
图1. 两种候选浸渍树脂在加工温度下的粘度曲线
进行了一维流动实验，以研究环氧树脂通过代表性玻璃纤维增强材料的浸渍距离环氧管 。实验装置如图2所示，加载了6781 8经纱缎面S-2玻璃纤维，体积分数为0.50。流动通道被密封并抽真空至约200到400毫托，以去除被困气体和吸附的水分。CTD-521环氧体系被混合并真空脱气。混合完成后，将树脂混合锅加压至20 psig的氮气压力，并在整个实验期间保持该压力。将混合锅连接到流动通道的入口端，允许树脂流入填充玻璃纤维的床中，同时记录浸渍距离随时间的变化。树脂前沿的形状基本上是线性的，表明确实获得了准一维条件。
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）产品环氧管 。
图2. 一维流动实验装置示意图
四、结果与讨论
将适当的树脂和浸渍参数输入分析模型，并调整Kozeny常数 \( k \)，直到与实验结果达成良好一致环氧管 。该常数是模型中唯一的经验参数。图3包含了实验数据以及使用Kozeny常数为0.026的分析结果，以及由此得出的经验渗透率为1.00×10^(-10)（m²）。Kim等人对单向流通过平纹玻璃布进行了类似的研究，得出的渗透率为9.87×10^(-10)（m²）。实验数据在较长时间后偏离分析结果，可以归因于树脂粘度的增加。随着固化反应的进行和粘度的增加，数据会趋向于更高粘度的曲线，这些曲线也显示在图3中。模型假设粘度恒定，无法考虑这种效应。
CTD-521是一种有吸引力的浸渍树脂，因为它可以在室温固化系统中实现良好性能环氧管 。在大约4小时的工作时间内，图3所示的结果表明，即使在一维简单情况下，1米的浸渍距离也显得勉强。方程（3）包含几个可以调整以改善浸渍距离的参数。
图3. 粘度对浸渍距离的影响，计算条件为 \( v_f = 0.50 \) 和施加压力为0.138 MPa环氧管 。实验数据为CTD-521
图3还展示了较低粘度的曲线环氧管 。通过提高环氧树脂的温度可以降低其粘度，但以牺牲工作寿命为代价。在40°C时，CTD-521的粘度降低到约500厘泊，但由于工作寿命为1小时，浸渍距离最终会减少。
图4. 施加压力对树脂的影响，计算条件为 \( v_f = 0.50 \) 和粘度为0.1 Pa·s环氧管 。实验数据为CTD-521
图4说明了施加压力的影响环氧管 。只有适度的改善是可行的。CS模型线圈的浸渍工具设计用于约30 psig的压力，几乎无法实现进一步的改善。降低纤维体积分数会增加渗透率，从而增加浸渍距离，如图5所示。可以通过牺牲机械性能来实现浸渍距离的增加。
图5. 纤维体积分数的影响，计算条件为粘度为0.1 Pa·s和施加压力为0.138 MPa环氧管 。实验数据为CTD-521
具有显著较低粘度和更长工作寿命的树脂将极大地改善浸渍距离环氧管 。没有室温固化的环氧树脂系统能提供这种性能组合，必须考虑高温加工和固化系统。
一种在低温下已广泛表征的系统是CTD-101K，其粘度为150厘泊，在60°C下工作寿命为15到20小时环氧管 。图6说明了在更长的浸渍时间内，低粘度系统的行为。
图6. 粘度对浸渍距离的影响环氧管 ，计算条件为 \( v_f = 0.50 \) 和施加压力为0.138 MPa，在代表高温加工环氧树脂系统的更长时间内
使用高温加工和固化环氧树脂可以显著改善浸渍距离环氧管 。分析表明，8米的浸渍距离，这是CS模型线圈尺寸的特征，可能是可以实现的。然而，这是一个简单的一维模型，尚未进行用于模拟层间绝缘浸渍的二维实验和分析。CS线圈的浸渍比二维情况要复杂得多，因为当前的制造场景要求树脂浸渍每个单独导管匝上的玻璃纤维织物。这种情况在数学上是不可解的，需要数值分析来确保足够的浸渍并优化注入口间距。还需要进行三维浸渍实验来验证这些分析。
五、结论
开发了一个简单的一维分析模型，用于模拟流体进入玻璃纤维增强材料的浸渍行为环氧管 。通过使用一种候选浸渍树脂进行的一维浸渍实验，验证了分析方法并确定了经验系数。分析了各种参数的影响，得出结论，高温系统将在大型结构（如ITER CS线圈）的浸渍中提供显著改善。进一步的研究将包括验证二维模型和探索完整的三维浸渍。
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