CN100514086C

CN100514086C - 碳纤维复合材料的漂移室外筒及其制造方法

Info

Publication number: CN100514086C
Application number: CNB2007100725913A
Authority: CN
Inventors: 高巨龙; 赵洪斌; 路明坤; 娄小杰; 陈辉; 侯涤洋; 何东晓; 赵家宇; 栾世琳
Original assignee: HARBIN FRP INSTITUTE
Current assignee: HARBIN FRP INSTITUTE
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: CN101114025A

Abstract

碳纤维复合材料的漂移室外筒及其制造方法，它涉及一种漂移室外筒及其制造方法。本发明解决了现有技术中无法用碳纤维复合材料制造出壁厚薄、筒段开窗口、装配尺寸精度高、重量轻的漂移室外筒的问题。所述的筒体(1)上设有至少四个窗口(1-2)，碳纤维复合材料窗口盖板(3)分别盖在窗口(1-2)上并与窗口(1-2)连接，所述的铝合金止口环(2)分别粘接在碳纤维复合材料筒体(1)的两端(1-1)上；主要步骤为：制备芯模并粘贴铝箔、制备单向碳纤维预浸带、安装窗口成型模具、筒体成型固化、粘接铝合金止口环、窗口盖板成型等。本发明具有壁厚薄、筒段开窗口、装配尺寸精度高、强度高、模量高的优点；利用本发明方法制成的漂移室外筒具有极其良好的性能指标。

Description

碳纤维复合材料的漂移室外筒及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种漂移室外筒及其制造方法，该筒体特别适用于北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)中BESIII探测器的漂移室内。

背景技术

北京正负电子对撞机是研究基本粒子的结构与运动规律的先进仪器，它由直线注入器、储存环、探测器和北京同步辐射装置(BSRF)组成。正负电子进入注入器后加速并在储存环磁场作用下分道扬镳，能量达到一定要求后在环内指定区域发生对撞。在对撞点处设有一台探测器，简称北京谱仪(BES)，是我国自行设计和研制的大型粒子物理实验装置；用以探测碰撞后产生的各种粒子种类、径迹、能量及动量，最后再由计算中心进行分析处理。北京正负电子对撞机和北京谱仪是当今世界上运行在2-5GeV能区专门从事τ-粲物理研究的唯一的一台对撞机和谱仪。漂移室位于探测器的核心部位，分为内室和外室两部分。内室和外室共要布丝28936根，其端面板要承载约3.5吨丝的张力。为了保证丝张力的一致性，在内室和外室的布丝过程中采用预应力的方法。在未布丝前，通过预应力杆模拟丝的张力，使端面板产生的预变形与布完丝后的变形一致。在布丝过程中，卸去与已布丝张力相等的预应力，漂移室内的工作气体为氦基混合气体。漂移室外筒是漂移室外室主要构件，也是漂移室的重要部件。漂移室外筒是漂移室的主体支撑结构件，承担漂移室全部丝的张力(约3.5吨)。现有技术中没能提供一种应用于探测器上且具有重量轻、强度高、薄壁的碳纤维复合材料漂移室外筒。

发明内容

本发明为了解决现有技术中无法用碳纤维复合材料制造出重量轻、强度高、薄壁的漂移室外筒的问题，进而提供了一种碳纤维复合材料的漂移室外筒及其制造方法。

本发明的技术方案是：

碳纤维复合材料的漂移室外筒包括碳纤维复合材料筒体、铝合金止口环、碳纤维复合材料窗口盖板，所述的筒体上设有至少四个窗口，碳纤维复合材料窗口盖板分别盖在窗口上并与窗口连接，所述的铝合金止口环分别粘接在碳纤维复合材料筒体的两端上。

碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法，它是按照以下步骤实现的：一、制备漂移室外筒筒体芯模，在漂移室外筒筒体芯模外表面上喷涂一层用丙酮稀释的环氧树脂胶液后再粘贴一层厚度为0.04～0.06mm的铝箔，再在铝箔表面均匀喷涂一层粘接剂并环向缠绕一层碳纤维；二、单向碳纤维预浸带的制备：将环氧树脂与芳胺固化剂、咪唑促进剂按重量比1：(0.4～0.5)：(0.05～0.01)的比例混合制成胶液，将上述胶液制成薄胶膜，再将单向碳纤维铺放在薄胶膜上制成单向碳纤维预浸带；三、在步骤一中的漂移室外筒筒体芯模上安装窗口成型模具小钢板；四、带有窗口的漂移室外筒筒体成型：按单向碳纤维预浸带铺放层、碳纤维环向缠绕层交替叠层的方式在完成步骤三的漂移室外筒筒体芯模上铺设碳纤维复合材料，并在安装窗口成型模具小钢板处预留窗口，铺设的碳纤维复合材料的厚度达到窗口成型模具小钢板的厚度或略超过其厚度后，在窗口成型模具小钢板上再安装窗口成型模具大钢板，再按单向碳纤维预浸带铺放层、碳纤维环向缠绕层交替叠层的方式铺设碳纤维复合材料并在安装窗口成型模具大钢板处预留窗口；五、固化；六、固化后在筒体的两端面上分别车加工铝合金止口环粘接面；七、铝合金止口环的初加工；八、漂移室外筒筒体局部脱模后在其一端面上粘接铝合金止口环并车加工已粘接铝合金止口环的基准面，漂移室外筒筒体整体脱模后再在其另一端面粘接铝合金止口环；九、按照尺寸及形位公差要求进行整体机械加工；十、窗口盖板成型及其机械加工：将制备好的单向碳纤维预浸带叠层铺放后进行模压制成窗口盖板并钻孔；十一：窗口盖板通过连接件安装在漂移室外筒筒体的窗口上并检验。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的碳纤维复合材料的漂移室外筒具有壁厚薄、筒段开窗口、装配尺寸精度高、重量轻、整体强度高、模量高、可靠性好、窗口大的优点，完全适合应用在探测器上。

本发明所述的碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法能够制造出壁厚薄、筒段开窗口、装配尺寸精度高、重量轻、强度高、模量高、可靠性好的漂移室外筒，而且还具有良好的性能指标：漂移室外筒在5000Kg轴向受力的情况下，外筒的轴向变形小于0.05mm；碳纤维复合材料外筒筒体与止口环部分粘接后在0℃～70℃温度范围内工作时没有脱胶、粘接剂变软、挥发等异常现象；导磁率为1.005。用本发明方法制造的碳纤维复合材料的漂移室外筒可完全承担漂移室全部丝的张力(约3.5吨)。

附图说明

图1是本发明的漂移室外筒的主视图(为便于表达，本图上半部分为剖视)，图2是图1的A-A剖视图，图3是图1的B部放大图，图4是图2的C部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图2和图3所示，本实施方式的碳纤维复合材料的漂移室外筒由碳纤维复合材料筒体1、铝合金止口环2、碳纤维复合材料窗口盖板3组成，所述的筒体1上设有八个窗口1-2，碳纤维复合材料窗口盖板3分别盖在八个窗口1-2上并与窗口1-2连接，所述的铝合金止口环2分别粘接在碳纤维复合材料筒体1的两端1-1上。

本实施方式的漂移室外筒长2582mm，外径φ1620mm，壁厚11.5mm，筒身上开有8个窗口，用来解决拉丝操作的需要，拉完丝后用等厚的碳纤维复合材料窗盖封闭。所有材料要求无磁，导磁率1.005。粘接在碳纤维复合材料筒体1的两端上铝合金止口环2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。铝合金止口环的材料为锻铝合金，要求对材料做B级探伤检测。

具体实施方式二：如图4所示，本实施方式所述的窗口1-2的周边设有窗口盖板安装定位台1-3，所述的碳纤维复合材料窗口盖板3的周边对应设有窗口盖板安装台3-1，窗口盖板安装定位台1-3和窗口盖板安装台3-1之间设有密封垫5。采用这样的结构，窗口盖板3安装方便，便于定位。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式所述的碳纤维复合材料筒体1的壁厚为11～12mm。采用这样的壁厚以适合应用在探测器的漂移室内。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式还包括铝箔层4，所述的铝箔层4粘贴在碳纤维复合材料筒体1的内壁上。碳纤维复合材料的漂移室外筒的内表面贴层铝箔厚度为0.05mm，保持与铝合金止口环2电导通。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式的碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法是按照以下步骤实现的：一、制备漂移室外筒筒体芯模，在漂移室外筒筒体芯模外表面上喷涂一层用丙酮稀释的环氧树脂胶液后再粘贴一层厚度为0.04～0.06mm的铝箔，再在铝箔表面均匀喷涂一层粘接剂并环向缠绕一层碳纤维；二、单向碳纤维预浸带的制备：将环氧树脂与芳胺固化剂、咪唑促进剂按重量比1：(0.4～0.5)：(0.05～0.01)的比例混合制成胶液，将上述胶液制成薄胶膜，再将单向碳纤维铺放在薄胶膜上制成单向碳纤维预浸带；三、在步骤一中的漂移室外筒筒体芯模上安装窗口成型模具小钢板；四、带有窗口的漂移室外筒筒体成型：按单向碳纤维预浸带铺放层、碳纤维环向缠绕层交替叠层的方式在完成步骤三的漂移室外筒筒体芯模上铺设碳纤维复合材料，并在安装窗口成型模具小钢板处预留窗口，铺设的碳纤维复合材料的厚度达到窗口成型模具小钢板的厚度或超过其厚度后，在窗口成型模具小钢板上再安装窗口成型模具大钢板，再按单向碳纤维预浸带铺放层、碳纤维环向缠绕层交替叠层的方式铺设碳纤维复合材料并在安装窗口成型模具大钢板处预留窗口；五、固化；六、固化后在筒体的两端面上分别车加工铝合金止口环粘接面；七、铝合金止口环的初加工；八、漂移室外筒筒体局部脱模后在其一端面上粘接铝合金止口环并车加工已粘接铝合金止口环的基准面，漂移室外筒筒体整体脱模后再在其另一端面粘接铝合金止口环；九、按照尺寸及形位公差要求进行整体机械加工；十、窗口盖板成型及其机械加工：将制备好的单向碳纤维预浸带叠层铺放后进行模压制成窗口盖板并钻孔；十一：窗口盖板通过连接件安装在漂移室外筒筒体的窗口上并检验。在步骤一中漂移室外筒筒体内表面与铝箔之间喷涂的粘接剂为J67；在步骤一中铝箔粘贴完成后，进行固化。固化制度为：90℃/4h，自然冷却至室温。在步骤五中固化制度为：120℃/2h～160℃/6h，自然冷却至室温。本实施方式所制造出的漂移室内筒的碳纤维含量：54～60％(按体积百分比)。

由于外筒的壁厚很薄，为了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；另外为了更有效地提高外筒的轴向刚度，碳纤维的铺设方向非常接近轴向方向，而小角度缠绕对缠绕设备及辅助工装提出了更高的要求。首先利用纤维预浸机将碳纤维预制成单向碳纤维预浸带的方法可以提高单向碳纤维预浸带的厚度稳定性，还可以严格控制纤维铺层的含胶量；由于是手工铺放，纤维的铺放更为灵活，可以实现多角度的铺放。考虑到筒体的整体性以及筒身开窗口的问题，实际采用了0°(碳纤维方向与轴向一致)、±15°(碳纤维方向与轴向所成角度为±15°)单向碳纤维预浸带铺放加碳纤维环向缠绕的方法成型外筒，筒体结构层的单向碳纤维预浸带铺放角度，铺层厚度、铺层铺放顺序及数量是通过成熟的复合材料有限元结构设计理论确定。

漂移室外筒筒身上有8个长圆形操作窗口，窗口破坏了铺层碳纤维的连续性，在一定程度上减弱了外筒筒体整体的结构强度；窗口边缘部位设有用来安装窗口盖板的窗口盖板安装定位台，是三维曲面，机械加工很难实现，另外窗口的定位及窗口的成型方案的选择也是此部分工作的难点之一。综合考虑纤维复合材料力学性能各向异性的特点，以及单向碳纤维预浸带的使用方法，采用在成型筒体的过程中直接成型窗口及窗口盖板安装定位台的方案；设计加工窗口定位、成型工装，采取窗口处局部加压等工艺措施；非常有效地解决了窗口的成型技术难题。

漂移室外筒筒体与铝合金止口环胶接，二者之间存在一个界面。界面状态及粘接剂类型直接影响漂移室外筒的气密性和粘接强度。对LY19CS铝/碳复合材料进行了研究，选用的粘接剂界面剪切强度达到7.5MPa。该性能能够满足漂移室外筒对界面性能的要求。针对碳复合材料本身具有一定的导电性能，与铝合金复合后在一定环境下由于电位差存在会产生电化学腐蚀。采用在铝合金与碳复合材料之间布置浸有基体树脂玻璃布的方法，进行隔离，防止电化学腐蚀的发生，同时又有利于协调刚度和变形。在温度20℃、相对湿度60％的条件下测得接触热电势在2～300μV之间，接触电阻在1～33KΩ。纤维复合材料与铝合金的线膨胀系数不同，当工作环境温度变化较大时，会在胶结面产生内力，当这种热应力大于二者的扯离强度或剪切强度时，就会产生剥离开裂。为此采取了两项措施。一是对铝合金止口环的粘接面进行化学处理，增强铝合金止口环和粘接剂的粘接强度；二是在铝合金止口环的粘接段沿外筒轴向开一定数量的槽，改善外筒粘接段的刚度；粘接铝合金止口环时，在粘接段的外表面缠绕环向碳纤维予以固定，这样就使筒体和铝合金止口环很好地粘接在一起。

具体实施方式六：本实施方式在步骤一中铝箔的厚度为0.05mm。漂移室外筒内表面要粘贴一层0.05mm厚的铝箔，要求贴层表面平整，光滑，无气泡，毛刺；铝箔对温度很敏感，局部的微小温度变化都会使铝箔翘曲变形；在粘贴铝箔时，铝箔所受外力不均匀就会使铝箔发生局部塑性变形，不容易粘贴平整。由于铝箔不透胶，粘接铝箔用的粘接剂必须均匀分布在粘接面上，其用量不能过少，也不能太多，否则就贴不平或粘不牢。粘接剂具有一定的初粘性，固化时没有太多的挥发物产生，对铝箔和碳纤维复合材料具有很好的粘接性能。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式在步骤四中：依次铺设一层碳纤维方向与轴向平行的单向碳纤维预浸带、一层碳纤维方向与轴向成+15°的单向碳纤维预浸带、一层碳纤维方向与轴向成—15°的单向碳纤维预浸带、一层碳纤维方向与轴向平行的单向碳纤维预浸带，现将上述四层重复铺设一次后再环向缠绕一层；以上所述称为一个循环，共铺放六个循环。采用这样的铺设方式，可大大增强外筒筒体的整体刚度。其它步骤与具体实施方式五相同。本步骤可简化为；以铺层顺序(0/+15/-15/0)₂/90为一个循环，共铺放6个循环。90为环向缠绕，0为0°预浸料铺放，+15为+15°角预浸料铺放，-15为-15°预浸料铺放，下脚标为层数。

具体实施方式八：本实施方式在步骤四中采用不同大小的窗口成型模具叠加的方式来加工窗口盖板安装定位台。机械加工难以实现，故采用直接成型的方法来实现窗口盖板安装定位台的设置，大大简化了工艺。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式九：本实施方式在步骤八中采用脱模压力缓冲环和窗口成型工装的脱模顶出装置来进行脱模。漂移室外筒的壁厚很薄，在脱模过程中，脱模盘与芯模的装配间隙很可能使产品筒口边缘部位受力不均，对产品造成损坏。为了解决由于脱模盘与芯模的装配间隙可能造成的产品筒口边缘部位受力不均问题，在产品脱模一端，安装了一个脱模压力缓冲环，这个环可以将脱模压力均匀地作用于产品上，确保产品顺利脱模。在外筒筒体芯模上设计有窗口成型工装的脱模顶出装置，解决了外筒筒体窗口成型工装对筒体的脱模工作造成的影响。外筒筒体整体脱模工装，顺利地完成了漂移室外筒的脱模。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式十：本实施方式在步骤十一中连接窗口盖板、漂移室外筒筒体的连接件与窗口盖板、漂移室外筒筒体是用胶粘接的。其它步骤与具体实施方式五相同。为了解决窗口盖板的重复装卸问题，在筒体上的窗口框上需加装金属螺套，考虑到筒体所有材料要求无磁的技术要求，将金属螺套的材质定为00Cr17Ni14Mo2。用胶接与螺接相结合的方法将金属螺套安装在窗口周边规定部位。筒体窗口处粘接一层橡胶垫，进行筒体与窗盖板的装配，筒体与窗盖板之间采用螺钉连接。

Claims

1、一种碳纤维复合材料的漂移室外筒，其特征在于它包括碳纤维复合材料筒体(1)、铝合金止口环(2)、碳纤维复合材料窗口盖板(3)，所述的筒体(1)上设有至少四个窗口(1-2)，碳纤维复合材料窗口盖板(3)分别盖在窗口(1-2)上并与窗口(1-2)连接，所述的铝合金止口环(2)分别粘接在碳纤维复合材料筒体(1)的两端(1-1)上。

2、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的漂移室外筒，其特征在于所述的窗口(1-2)的周边设有窗口盖板安装定位台(1-3)，所述的碳纤维复合材料窗口盖板(3)的周边对应设有窗口盖板安装台(3-1)。

3、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的漂移室外筒，其特征在于所述的碳纤维复合材料筒体(1)的壁厚为11～12mm。

4、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的漂移室外筒，其特征在于它还包括铝箔层(4)，所述的铝箔层(4)粘贴在碳纤维复合材料筒体(1)的内壁上。

5、一种权利要求1所述碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法，其特征在于它是按照以下步骤实现的：一、制备漂移室外筒筒体芯模，在漂移室外筒筒体芯模外表面上喷涂一层用丙酮稀释的环氧树脂胶液后再粘贴一层厚度为0.04～0.06mm的铝箔，再在铝箔表面均匀喷涂一层粘接剂并环向缠绕一层碳纤维；二、单向碳纤维预浸带的制备：将环氧树脂与芳胺固化剂、咪唑促进剂按重量比1：(0.4～0.5)：(0.05～0.01)的比例混合制成胶液，将上述胶液制成薄胶膜，再将单向碳纤维铺放在薄胶膜上制成单向碳纤维预浸带；三、在步骤一中的漂移室外筒筒体芯模上安装窗口成型模具小钢板；四、带有窗口的漂移室外筒筒体成型：按单向碳纤维预浸带铺放层、碳纤维环向缠绕层交替叠层的方式在完成步骤三的漂移室外筒筒体芯模上铺设碳纤维复合材料，并在安装窗口成型模具小钢板处预留窗口，铺设的碳纤维复合材料的厚度达到窗口成型模具小钢板的厚度或略超过其厚度后，在窗口成型模具小钢板上再安装窗口成型模具大钢板，再按单向碳纤维预浸带铺放层、碳纤维环向缠绕层交替叠层的方式铺设碳纤维复合材料并在安装窗口成型模具大钢板处预留窗口；五、固化；六、固化后在筒体的两端面上分别车加工铝合金止口环粘接面；七、铝合金止口环的初加工；八、漂移室外筒筒体局部脱模后在其一端面上粘接铝合金止口环并车加工已粘接铝合金止口环的基准面，漂移室外筒筒体整体脱模后再在其另一端面粘接铝合金止口环；九、按照尺寸及形位公差要求进行整体机械加工；十、窗口盖板成型及其机械加工：将制备好的单向碳纤维预浸带叠层铺放后进行模压制成窗口盖板并钻孔；十一：窗口盖板通过连接件安装在漂移室外筒筒体的窗口上并检验。

6、根据权利要求5所述碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法，其特征在于在步骤一中铝箔的厚度为0.05mm。

7、根据权利要求5所述碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法，其特征在于在步骤四中：依次铺设一层碳纤维方向与轴向平行的单向碳纤维预浸带、一层碳纤维方向与轴向成+15°的单向碳纤维预浸带、一层碳纤维方向与轴向成—15°的单向碳纤维预浸带、一层碳纤维方向与轴向平行的单向碳纤维预浸带，现将上述四层重复铺设一次后再环向缠绕一层；以上所述称为一个循环，共铺放六个循环。

8、根据权利要求5所述碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法，其特征在于在步骤四中采用不同大小的窗口成型模具叠加的方式来加工窗口盖板安装定位台。

9、根据权利要求5所述碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法，其特征在于在步骤八中采用脱模压力缓冲环和窗口成型工装的脱模顶出装置来进行脱模。

10、根据权利要求5所述碳纤维复合材料的漂移室外筒的制造方法，其特征在于在步骤十一中，连接窗口盖板、漂移室外筒筒体的连接件与窗口盖板、漂移室外筒筒体是用胶粘接的。