為優(yōu)化國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆校正場(chǎng)線圈的真空壓力浸漬工藝，對(duì)線圈圓弧段的充模過(guò)程進(jìn)行了基于Darcy定律的數(shù)值模擬和工藝實(shí)驗(yàn)。對(duì)比了4種注膠方案的流動(dòng)前沿和壓力分布，確定了高效并能減少殘留空隙的方案。優(yōu)化的注膠口位置為沿長(zhǎng)度方向1/4和3/4處，出膠口位置為沿長(zhǎng)度方向兩端和中間處。按優(yōu)化工藝進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)測(cè)充模時(shí)間7.62×10³s，與模擬時(shí)間7.67×10³s近。CT掃描顯示試樣內(nèi)部被樹(shù)脂完全填充，僅有少量空隙，大小約為100～200μm。試樣絕緣性能優(yōu)良，在10kV下漏電流小于1μA。試驗(yàn)結(jié)果表明了工藝模擬的可靠性，模擬方法可應(yīng)用到整個(gè)線圈中，確定方案和技術(shù)參數(shù)。

　　校正場(chǎng)線圈是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的部件之一，為7m×7m的柱面線圈，含有兩直線段和兩圓弧段，外形如圖1所示。校正場(chǎng)線圈用于補(bǔ)償磁場(chǎng)誤差，由超導(dǎo)導(dǎo)體繞制而成，導(dǎo)體間有環(huán)氧與玻纖組成的絕緣層。真空壓力浸漬(VPI)是校正場(chǎng)線圈制造的最后一步，注膠產(chǎn)生的空隙易發(fā)生氣體泄漏，降低絕緣質(zhì)量，影響線圈穩(wěn)定運(yùn)行。借助數(shù)值模擬分析樹(shù)脂流動(dòng)行為，可優(yōu)化工藝，減少缺陷。VPI是復(fù)合材料的成型過(guò)程，原理與樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)類似。RTM 的數(shù)值模擬方法已有相關(guān)研究，并已應(yīng)用到工藝過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化中。通過(guò)這類方法可模擬VPI的充模過(guò)程。相對(duì)于直線段，圓弧段的樹(shù)脂流動(dòng)行為更復(fù)雜，能更全面地反應(yīng)線圈的VPI過(guò)程。為優(yōu)化工藝，在線圈圓弧段中截取約3m長(zhǎng)的試樣，進(jìn)行了VPI充模模擬及工藝試驗(yàn)。

圖1　校正場(chǎng)線圈

實(shí)驗(yàn)

　　根據(jù)d方案的實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。三個(gè)出膠口與真空機(jī)組相連，兩個(gè)注膠口與注射罐相連。通過(guò)真空計(jì)監(jiān)測(cè)注膠口處的真空度。通過(guò)觀察管判斷樹(shù)脂是否充滿。在注膠之前抽真空并加熱使氣體充分排出。注膠時(shí)真空度為10Pa，溫度為40℃。樹(shù)脂和固化劑抽真空脫氣后在注射罐內(nèi)混合，進(jìn)行二次抽真空脫氣后注入模具。注膠壓力為0.04MPa，出膠口保持抽真空。經(jīng)過(guò)7.62×10³s，觀察管中出現(xiàn)樹(shù)脂，與d方案計(jì)算時(shí)間7.67×10³s接近。

圖11　實(shí)驗(yàn)裝置

　　截取一段固化的試樣進(jìn)行CT掃描，截面宏觀照片如圖12所示，局部放大照片如圖13所示。試樣內(nèi)部被樹(shù)脂完全填充，僅在導(dǎo)體圓角附近存有少量微小空隙，大小約為100～200μm。圖13中圓形部分為玻纖帶，用于填充導(dǎo)體圓角間的空腔�？涨粌�(nèi)可能存有少量空氣，導(dǎo)致空隙。

　　同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行了耐壓測(cè)試，測(cè)試方法為ASTM D149-97a。在10kV電壓下漏電流小于1μA，絕緣性能優(yōu)良。以上結(jié)果驗(yàn)證了工藝模擬的可靠性。

圖12　截面宏觀照片

圖13　試樣內(nèi)部空隙

結(jié)論

　　(1)分析了4種注膠方案的充模過(guò)程。增加注膠口和出膠口數(shù)量可以提高充模效率。但由于樹(shù)脂通道的存在，出膠口增加到3個(gè)時(shí)會(huì)降低效率。注膠口和出膠口應(yīng)交錯(cuò)放置，保證模腔內(nèi)壓力梯度，使樹(shù)脂順利填充，防止空隙。確定了高效并能減少空隙的工藝方案，即注膠口位置為沿長(zhǎng)度方向1/4和3/4處，出膠口位置為沿長(zhǎng)度方向兩端和中間處。

　　(2)按優(yōu)化工藝進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)際充模時(shí)間7.62×10³s與模擬時(shí)間7.67×10³s接近。試樣內(nèi)部被樹(shù)脂完全填充，僅有少量100～200μm 的空隙。經(jīng)過(guò)10kV耐壓測(cè)試，試樣漏電流小于1μA。通過(guò)對(duì)圓弧段的數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試確認(rèn)了模擬方法的可靠性，下一步可以直接將該數(shù)值模擬方法應(yīng)用于整個(gè)大型線圈的充模過(guò)程分析，確定制造方案和參數(shù)。