北京正負電子對撞機BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒的研制
摘要：本文介紹了BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒的應用、主要結構形式和技術要求、筒體成型工研究、原材料選擇和試驗應用情況。BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒主要采用預浸料鋪放和濕法纏繞成型工藝。BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒的各項指標均符合要求。BESⅢ漂移室內、外筒的研制成功是我國在高能物理研究領域應用碳纖維復合材料的又一次飛躍。
1 前 言
北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)的建設目標是對北京正負電子對撞機和北京譜儀進行重大改造。這次升級后的北京譜儀為BESⅢ。漂移室是BESⅢ重要的子探測器之一，它與BEPCⅡ的束流管相鄰。漂移室分為內室和外室兩部分，碳纖維復合材料內筒位于漂移室內室內層，能使對撞機產生的新粒子順利通過，是BESⅢ漂移室的重要部件。內室和外室共要布絲28936根，因此碳纖維復合材料內筒要承載約3.5t絲的張力，漂移室總體結構示意圖見圖1。
內筒位于漂移室內室的核心區域。為減少漂移室內物質量，內室設計成一個無外筒的開放型的室體。內室和外室安裝后成一體。這樣即保證了內室可以更換，又減少了整個氣體空間內的物質量。在設計中考慮了內室和外室在布完絲后的變形不一樣所帶來的安裝問題，還要考慮對氦基混合氣體的密封。內室內筒筒體材料為碳纖維復合材料。它要承載內室8個信號單元層的全部絲的張力，約300kg。漂移室碳纖維復合材料內筒屬薄壁筒。傳統的制作工藝不能滿足該產品的設計要求。先表現在內筒主要承載方向均為軸向，這就要求碳纖維的主要排布方向為軸向，而現有設備很難進行纖維小角度的纏繞。由于內筒的筒壁特別薄，為了減少筒壁鋪層的耦合效應，成型工藝對成型中鋪層的厚度提出了更高要求。另外薄壁管的脫模工藝也給內外筒的成型工作增加了難度。本文主要介紹了BESⅢ漂移室碳復合材料內筒的結構形式、技術要求、筒體成型技術、原材料選擇和產品達到的主要技術指標。
2 產品結構形式和主要技術要求
內筒結構形式如圖2所示。外型尺寸長度為774mm；內徑為φ126mm；壁厚為lmm。
技術要求：
(1)碳纖維復合材料內室內筒筒體與鋁合金連接環粘接，粘接后在0~70℃溫度范圍內工作時不應有脫膠、粘接劑變軟、揮發等異?，F象。
(2)內室內筒筒體的內、外表面各貼0.O5mm厚的鋁箔，貼層表面平整，光滑，無氣泡、毛刺，貼層重疊處標明位置記號，提供重疊寬度數據，保持與連接環電導通。
(3)內室內筒在1.1個大氣壓下保壓8h，壓力下降5‰/h。
(4)內室內筒在500kg軸向壓力載荷作用下，軸向變形小于0.05mm。
3 原材料的選擇
考慮到漂移室內筒應滿足較高的力學性能、較好的耐熱性能和氣密性的要求，同時還須具有較好的工藝性能，我們對不同樹脂體系、固化劑進行篩選，確定采用環氧／胺類體系配方，增強材料為T700碳纖維。T700碳纖維／環氧單向板性能見表1。
在單向碳纖維預浸帶的生產過程中，通過實際調試，確定出合理的生產控制工藝參數，單向碳纖維預浸帶工藝性能見表2。
4.2 筒體成型工藝研究
內筒的壁厚很薄，為減少筒壁鋪層的耦合效應，在成型過程中必須嚴格控制各纖維鋪層的厚度。在傳統的纏繞工藝過程中只能通過調整纏繞紗片的展紗狀態來調節纏繞鋪層的厚度，這一方法只能在一定范圍內對纏繞鋪層的厚度進行粗調。另外為了更有效地提高內筒的軸向剛度，碳纖維的鋪設方向將非常接近軸向方向，而小角度纏繞對纏繞設備及輔助工裝提出了更高的要求。為此我們選擇用單向碳纖維預浸帶鋪放加纖維環向纏繞的方法來成型內筒的結構層．很好地解決了這一問題。利用預浸機將碳纖維制成單向碳纖維預浸帶，這樣既可提高鋪層厚度穩定性，又可嚴格控制纖維鋪層的含膠量。通過有限元結構設計理論確定筒體結構層的單向碳纖維預浸帶鋪層厚度、環向纏繞／鋪層鋪放順序。實際采用單向碳纖維預浸帶鋪放加碳纖維環向濕法纏繞的方法成型內筒。
5 試驗和應用情況
試驗依據：《BESⅢ漂移室外筒、內筒軸向壓力載荷試驗要求》。
試驗內容：加軸向壓力載荷5OOkg測量軸向和徑向變形情況；氣密試驗。
試驗結果：BESⅢ漂移室內筒通過了5OOkg軸向壓力載荷實驗，軸向變形為0.048mm，滿足漂移室內筒軸向變形小于0.05mm的要求。詳見表3。
目前漂移室碳纖維復合材料內筒已經和其他部件已經完成了組裝調試工作。北京譜儀（BESⅢ）和加速器已進行聯合調試。新研制的BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒工作一切正常。圖3所示為裝配中的內筒。
6 結束語
哈爾濱玻璃鋼研究院研制的BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒經多次檢測滿足北京譜儀BESⅢ漂移室的設計要求，產品充分發揮了碳復合材料其結構上的高比強度、高比模量的特點，發揮了低密度材料利于基本粒子透過的特點。BESⅢ漂移室內、外筒的研制成功是我國在高能物理研究領域應用碳纖維復合材料的又一次飛躍。
1 前 言
北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)的建設目標是對北京正負電子對撞機和北京譜儀進行重大改造。這次升級后的北京譜儀為BESⅢ。漂移室是BESⅢ重要的子探測器之一，它與BEPCⅡ的束流管相鄰。漂移室分為內室和外室兩部分，碳纖維復合材料內筒位于漂移室內室內層，能使對撞機產生的新粒子順利通過，是BESⅢ漂移室的重要部件。內室和外室共要布絲28936根，因此碳纖維復合材料內筒要承載約3.5t絲的張力，漂移室總體結構示意圖見圖1。
內筒位于漂移室內室的核心區域。為減少漂移室內物質量，內室設計成一個無外筒的開放型的室體。內室和外室安裝后成一體。這樣即保證了內室可以更換，又減少了整個氣體空間內的物質量。在設計中考慮了內室和外室在布完絲后的變形不一樣所帶來的安裝問題，還要考慮對氦基混合氣體的密封。內室內筒筒體材料為碳纖維復合材料。它要承載內室8個信號單元層的全部絲的張力，約300kg。漂移室碳纖維復合材料內筒屬薄壁筒。傳統的制作工藝不能滿足該產品的設計要求。先表現在內筒主要承載方向均為軸向，這就要求碳纖維的主要排布方向為軸向，而現有設備很難進行纖維小角度的纏繞。由于內筒的筒壁特別薄，為了減少筒壁鋪層的耦合效應，成型工藝對成型中鋪層的厚度提出了更高要求。另外薄壁管的脫模工藝也給內外筒的成型工作增加了難度。本文主要介紹了BESⅢ漂移室碳復合材料內筒的結構形式、技術要求、筒體成型技術、原材料選擇和產品達到的主要技術指標。
2 產品結構形式和主要技術要求
內筒結構形式如圖2所示。外型尺寸長度為774mm；內徑為φ126mm；壁厚為lmm。
技術要求：
(1)碳纖維復合材料內室內筒筒體與鋁合金連接環粘接，粘接后在0~70℃溫度范圍內工作時不應有脫膠、粘接劑變軟、揮發等異?，F象。
(2)內室內筒筒體的內、外表面各貼0.O5mm厚的鋁箔，貼層表面平整，光滑，無氣泡、毛刺，貼層重疊處標明位置記號，提供重疊寬度數據，保持與連接環電導通。
(3)內室內筒在1.1個大氣壓下保壓8h，壓力下降5‰/h。
(4)內室內筒在500kg軸向壓力載荷作用下，軸向變形小于0.05mm。
3 原材料的選擇
考慮到漂移室內筒應滿足較高的力學性能、較好的耐熱性能和氣密性的要求，同時還須具有較好的工藝性能，我們對不同樹脂體系、固化劑進行篩選，確定采用環氧／胺類體系配方，增強材料為T700碳纖維。T700碳纖維／環氧單向板性能見表1。
在單向碳纖維預浸帶的生產過程中，通過實際調試，確定出合理的生產控制工藝參數，單向碳纖維預浸帶工藝性能見表2。
4.2 筒體成型工藝研究
內筒的壁厚很薄，為減少筒壁鋪層的耦合效應，在成型過程中必須嚴格控制各纖維鋪層的厚度。在傳統的纏繞工藝過程中只能通過調整纏繞紗片的展紗狀態來調節纏繞鋪層的厚度，這一方法只能在一定范圍內對纏繞鋪層的厚度進行粗調。另外為了更有效地提高內筒的軸向剛度，碳纖維的鋪設方向將非常接近軸向方向，而小角度纏繞對纏繞設備及輔助工裝提出了更高的要求。為此我們選擇用單向碳纖維預浸帶鋪放加纖維環向纏繞的方法來成型內筒的結構層．很好地解決了這一問題。利用預浸機將碳纖維制成單向碳纖維預浸帶，這樣既可提高鋪層厚度穩定性，又可嚴格控制纖維鋪層的含膠量。通過有限元結構設計理論確定筒體結構層的單向碳纖維預浸帶鋪層厚度、環向纏繞／鋪層鋪放順序。實際采用單向碳纖維預浸帶鋪放加碳纖維環向濕法纏繞的方法成型內筒。
5 試驗和應用情況
試驗依據：《BESⅢ漂移室外筒、內筒軸向壓力載荷試驗要求》。
試驗內容：加軸向壓力載荷5OOkg測量軸向和徑向變形情況；氣密試驗。
試驗結果：BESⅢ漂移室內筒通過了5OOkg軸向壓力載荷實驗，軸向變形為0.048mm，滿足漂移室內筒軸向變形小于0.05mm的要求。詳見表3。
目前漂移室碳纖維復合材料內筒已經和其他部件已經完成了組裝調試工作。北京譜儀（BESⅢ）和加速器已進行聯合調試。新研制的BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒工作一切正常。圖3所示為裝配中的內筒。
6 結束語
哈爾濱玻璃鋼研究院研制的BESⅢ漂移室碳纖維復合材料內筒經多次檢測滿足北京譜儀BESⅢ漂移室的設計要求，產品充分發揮了碳復合材料其結構上的高比強度、高比模量的特點，發揮了低密度材料利于基本粒子透過的特點。BESⅢ漂移室內、外筒的研制成功是我國在高能物理研究領域應用碳纖維復合材料的又一次飛躍。
