北京正负电子对撞机BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒的研制
摘要：本文介绍了BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒的应用、主要结构形式和技术要求、筒体成型工研究、原材料选择和试验应用情况。BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒主要采用预浸料铺放和湿法缠绕成型工艺。BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒的各项指标均符合要求。BESⅢ漂移室内、外筒的研制成功是我国在高能物理研究领域应用碳纤维复合材料的又一次飞跃。
1 前 言
北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)的建设目标是对北京正负电子对撞机和北京谱仪进行重大改造。这次升级后的北京谱仪为BESⅢ。漂移室是BESⅢ重要的子探测器之一，它与BEPCⅡ的束流管相邻。漂移室分为内室和外室两部分，碳纤维复合材料内筒位于漂移室内室内层，能使对撞机产生的新粒子顺利通过，是BESⅢ漂移室的重要部件。内室和外室共要布丝28936根，因此碳纤维复合材料内筒要承载约3.5t丝的张力，漂移室总体结构示意图见图1。
内筒位于漂移室内室的核心区域。为减少漂移室内物质量，内室设计成一个无外筒的开放型的室体。内室和外室安装后成一体。这样即保证了内室可以更换，又减少了整个气体空间内的物质量。在设计中考虑了内室和外室在布完丝后的变形不一样所带来的安装问题，还要考虑对氦基混合气体的密封。内室内筒筒体材料为碳纤维复合材料。它要承载内室8个信号单元层的全部丝的张力，约300kg。漂移室碳纤维复合材料内筒属薄壁筒。传统的制作工艺不能满足该产品的设计要求。先表现在内筒主要承载方向均为轴向，这就要求碳纤维的主要排布方向为轴向，而现有设备很难进行纤维小角度的缠绕。由于内筒的筒壁特别薄，为了减少筒壁铺层的耦合效应，成型工艺对成型中铺层的厚度提出了更高要求。另外薄壁管的脱模工艺也给内外筒的成型工作增加了难度。本文主要介绍了BESⅢ漂移室碳复合材料内筒的结构形式、技术要求、筒体成型技术、原材料选择和产品达到的主要技术指标。
2 产品结构形式和主要技术要求
内筒结构形式如图2所示。外型尺寸长度为774mm；内径为φ126mm；壁厚为lmm。
技术要求：
(1)碳纤维复合材料内室内筒筒体与铝合金连接环粘接，粘接后在0~70℃温度范围内工作时不应有脱胶、粘接剂变软、挥发等异常现象。
(2)内室内筒筒体的内、外表面各贴0.O5mm厚的铝箔，贴层表面平整，光滑，无气泡、毛刺，贴层重叠处标明位置记号，提供重叠宽度数据，保持与连接环电导通。
(3)内室内筒在1.1个大气压下保压8h，压力下降5‰/h。
(4)内室内筒在500kg轴向压力载荷作用下，轴向变形小于0.05mm。
3 原材料的选择
考虑到漂移室内筒应满足较高的力学性能、较好的耐热性能和气密性的要求，同时还须具有较好的工艺性能，我们对不同树脂体系、固化剂进行筛选，确定采用环氧／胺类体系配方，增强材料为T700碳纤维。T700碳纤维／环氧单向板性能见表1。
在单向碳纤维预浸带的生产过程中，通过实际调试，确定出合理的生产控制工艺参数，单向碳纤维预浸带工艺性能见表2。
4.2 筒体成型工艺研究
内筒的壁厚很薄，为减少筒壁铺层的耦合效应，在成型过程中必须严格控制各纤维铺层的厚度。在传统的缠绕工艺过程中只能通过调整缠绕纱片的展纱状态来调节缠绕铺层的厚度，这一方法只能在一定范围内对缠绕铺层的厚度进行粗调。另外为了更有效地提高内筒的轴向刚度，碳纤维的铺设方向将非常接近轴向方向，而小角度缠绕对缠绕设备及辅助工装提出了更高的要求。为此我们选择用单向碳纤维预浸带铺放加纤维环向缠绕的方法来成型内筒的结构层．很好地解决了这一问题。利用预浸机将碳纤维制成单向碳纤维预浸带，这样既可提高铺层厚度稳定性，又可严格控制纤维铺层的含胶量。通过有限元结构设计理论确定筒体结构层的单向碳纤维预浸带铺层厚度、环向缠绕／铺层铺放顺序。实际采用单向碳纤维预浸带铺放加碳纤维环向湿法缠绕的方法成型内筒。
5 试验和应用情况
试验依据：《BESⅢ漂移室外筒、内筒轴向压力载荷试验要求》。
试验内容：加轴向压力载荷5OOkg测量轴向和径向变形情况；气密试验。
试验结果：BESⅢ漂移室内筒通过了5OOkg轴向压力载荷实验，轴向变形为0.048mm，满足漂移室内筒轴向变形小于0.05mm的要求。详见表3。
目前漂移室碳纤维复合材料内筒已经和其他部件已经完成了组装调试工作。北京谱仪（BESⅢ）和加速器已进行联合调试。新研制的BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒工作一切正常。图3所示为装配中的内筒。
6 结束语
哈尔滨玻璃钢研究院研制的BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒经多次检测满足北京谱仪BESⅢ漂移室的设计要求，产品充分发挥了碳复合材料其结构上的高比强度、高比模量的特点，发挥了低密度材料利于基本粒子透过的特点。BESⅢ漂移室内、外筒的研制成功是我国在高能物理研究领域应用碳纤维复合材料的又一次飞跃。
1 前 言
北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)的建设目标是对北京正负电子对撞机和北京谱仪进行重大改造。这次升级后的北京谱仪为BESⅢ。漂移室是BESⅢ重要的子探测器之一，它与BEPCⅡ的束流管相邻。漂移室分为内室和外室两部分，碳纤维复合材料内筒位于漂移室内室内层，能使对撞机产生的新粒子顺利通过，是BESⅢ漂移室的重要部件。内室和外室共要布丝28936根，因此碳纤维复合材料内筒要承载约3.5t丝的张力，漂移室总体结构示意图见图1。
内筒位于漂移室内室的核心区域。为减少漂移室内物质量，内室设计成一个无外筒的开放型的室体。内室和外室安装后成一体。这样即保证了内室可以更换，又减少了整个气体空间内的物质量。在设计中考虑了内室和外室在布完丝后的变形不一样所带来的安装问题，还要考虑对氦基混合气体的密封。内室内筒筒体材料为碳纤维复合材料。它要承载内室8个信号单元层的全部丝的张力，约300kg。漂移室碳纤维复合材料内筒属薄壁筒。传统的制作工艺不能满足该产品的设计要求。先表现在内筒主要承载方向均为轴向，这就要求碳纤维的主要排布方向为轴向，而现有设备很难进行纤维小角度的缠绕。由于内筒的筒壁特别薄，为了减少筒壁铺层的耦合效应，成型工艺对成型中铺层的厚度提出了更高要求。另外薄壁管的脱模工艺也给内外筒的成型工作增加了难度。本文主要介绍了BESⅢ漂移室碳复合材料内筒的结构形式、技术要求、筒体成型技术、原材料选择和产品达到的主要技术指标。
2 产品结构形式和主要技术要求
内筒结构形式如图2所示。外型尺寸长度为774mm；内径为φ126mm；壁厚为lmm。
技术要求：
(1)碳纤维复合材料内室内筒筒体与铝合金连接环粘接，粘接后在0~70℃温度范围内工作时不应有脱胶、粘接剂变软、挥发等异常现象。
(2)内室内筒筒体的内、外表面各贴0.O5mm厚的铝箔，贴层表面平整，光滑，无气泡、毛刺，贴层重叠处标明位置记号，提供重叠宽度数据，保持与连接环电导通。
(3)内室内筒在1.1个大气压下保压8h，压力下降5‰/h。
(4)内室内筒在500kg轴向压力载荷作用下，轴向变形小于0.05mm。
3 原材料的选择
考虑到漂移室内筒应满足较高的力学性能、较好的耐热性能和气密性的要求，同时还须具有较好的工艺性能，我们对不同树脂体系、固化剂进行筛选，确定采用环氧／胺类体系配方，增强材料为T700碳纤维。T700碳纤维／环氧单向板性能见表1。
在单向碳纤维预浸带的生产过程中，通过实际调试，确定出合理的生产控制工艺参数，单向碳纤维预浸带工艺性能见表2。
4.2 筒体成型工艺研究
内筒的壁厚很薄，为减少筒壁铺层的耦合效应，在成型过程中必须严格控制各纤维铺层的厚度。在传统的缠绕工艺过程中只能通过调整缠绕纱片的展纱状态来调节缠绕铺层的厚度，这一方法只能在一定范围内对缠绕铺层的厚度进行粗调。另外为了更有效地提高内筒的轴向刚度，碳纤维的铺设方向将非常接近轴向方向，而小角度缠绕对缠绕设备及辅助工装提出了更高的要求。为此我们选择用单向碳纤维预浸带铺放加纤维环向缠绕的方法来成型内筒的结构层．很好地解决了这一问题。利用预浸机将碳纤维制成单向碳纤维预浸带，这样既可提高铺层厚度稳定性，又可严格控制纤维铺层的含胶量。通过有限元结构设计理论确定筒体结构层的单向碳纤维预浸带铺层厚度、环向缠绕／铺层铺放顺序。实际采用单向碳纤维预浸带铺放加碳纤维环向湿法缠绕的方法成型内筒。
5 试验和应用情况
试验依据：《BESⅢ漂移室外筒、内筒轴向压力载荷试验要求》。
试验内容：加轴向压力载荷5OOkg测量轴向和径向变形情况；气密试验。
试验结果：BESⅢ漂移室内筒通过了5OOkg轴向压力载荷实验，轴向变形为0.048mm，满足漂移室内筒轴向变形小于0.05mm的要求。详见表3。
目前漂移室碳纤维复合材料内筒已经和其他部件已经完成了组装调试工作。北京谱仪（BESⅢ）和加速器已进行联合调试。新研制的BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒工作一切正常。图3所示为装配中的内筒。
6 结束语
哈尔滨玻璃钢研究院研制的BESⅢ漂移室碳纤维复合材料内筒经多次检测满足北京谱仪BESⅢ漂移室的设计要求，产品充分发挥了碳复合材料其结构上的高比强度、高比模量的特点，发挥了低密度材料利于基本粒子透过的特点。BESⅢ漂移室内、外筒的研制成功是我国在高能物理研究领域应用碳纤维复合材料的又一次飞跃。
