纖維纏繞成型工藝是在纖維張力和預(yù)定成型控制條件下，將浸過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維（或布、預(yù)浸紗）按照一定的規(guī)律纏繞到芯模或內(nèi)襯上，然后經(jīng)固化、脫模、獲得一定形狀的制品。

 

 

    （1）纖維纏繞成型工藝及分類   根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹(shù)脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種，其工藝流程如下：

    ①干法纏繞   干法纏繞是采用經(jīng)過(guò)預(yù)浸膠處理（樹(shù)脂處于B階段）的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至黏流態(tài)后纏繞到芯摸上。由于預(yù)浸紗（或帶）是專業(yè)生產(chǎn)，能?chē)?yán)格控制樹(shù)脂含量—（精確到2%以內(nèi)）和預(yù)浸紗質(zhì)量。因此，干法纏繞能夠準(zhǔn)確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

 

 

    干法纏繞工藝的最大特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達(dá)100～200m/min，纏繞機(jī)清潔，勞動(dòng)衛(wèi)生條件好，產(chǎn)品質(zhì)量高。其缺點(diǎn)是纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，故投資較大，此外，干法纏繞制品的層間剪切強(qiáng)度較低。

    ②濕法纏繞   濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優(yōu)點(diǎn)為：a.成本比干法纏繞低40%；b.產(chǎn)品氣密性好，因?yàn)槔p繞張力使多余的樹(shù)脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；c.纖維排列平行度好；d.濕法纏繞時(shí)，纖維上的樹(shù)脂膠液，可減少纖維磨損；e.生產(chǎn)效率高（達(dá)200m/min）。

    濕法纏繞的缺點(diǎn)為：a.樹(shù)脂浪費(fèi)大，操作環(huán)境差；b.含膠量及成品質(zhì)量不易控制；c.可供濕法纏繞的樹(shù)脂品種較少。

    ③半干法纏繞   半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至模芯的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去。與干法相比，省去了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。

    三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最普遍，干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

    （2）纖維纏繞成型的特點(diǎn)

    ①纖維纏繞成型的優(yōu)點(diǎn)  a.能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度；b.比強(qiáng)度高，一般來(lái)講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質(zhì)容器相比，質(zhì)量可減輕40%～60%；c.可靠性高，纖維纏繞制品易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，工藝條件確定后，纏出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確；d.生產(chǎn)效率高，采用機(jī)械化或自動(dòng)化生產(chǎn)，需要操作工人少，纏繞速度快（240m/min），故勞動(dòng)生產(chǎn)率高；e.成本低，在同一產(chǎn)品上，可合理配選若干種材料（包括樹(shù)脂、纖維和內(nèi)襯），使其再?gòu)?fù)合，達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

    ②纏繞成型的缺點(diǎn)  a.纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品，因?yàn)槔p繞時(shí)，纖維不能緊貼芯模表面而架空；b.纏繞成型需要有纏繞機(jī)，芯模，固化加熱爐，脫模機(jī)及熟練的技術(shù)工人，需要的投資大，技術(shù)要求高，因此，只有大批量生產(chǎn)時(shí)才能降低成本，才能獲得較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

    （3）纏繞成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

    ①纏繞成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀   自1946年美國(guó)發(fā)明用連續(xù)纖維纏繞成型壓力容器方法以來(lái)，纏繞成型工藝得到不斷的完善和發(fā)展。就全世界而言，纏繞成型工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料制品，已占世界復(fù)合材料總產(chǎn)量的8%左右。我國(guó)在1962～1963年總結(jié)出纖維纏繞規(guī)律，設(shè)計(jì)出可纏制各種壓力容器的鏈條式纏繞機(jī)，揭開(kāi)了我國(guó)纏繞成型’技術(shù)的歷史。此后，由德國(guó)引進(jìn)大型數(shù)控纏繞機(jī)，生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和6m長(zhǎng)、2m直徑的玻璃鋼貯罐。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，先后從意大利、美國(guó)、日本等引進(jìn)了自動(dòng)化程度較高的微機(jī)控制纏繞機(jī)，可以生產(chǎn)直徑4m、長(zhǎng)15m以內(nèi)的管、罐，引進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)纏繞機(jī)，經(jīng)研究改造后，可以纏20m直徑的立式貯罐。與此同時(shí)，我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的機(jī)械式纏繞機(jī)，微機(jī)控制自動(dòng)化程度很高的大型纏繞機(jī)和連續(xù)纏管機(jī)都相繼問(wèn)世，其技術(shù)水平在某些地方超過(guò)國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，現(xiàn)已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。

    ②纖維纏繞制品開(kāi)發(fā)應(yīng)用   纖維纏繞制品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，分為軍工和民用兩個(gè)方面。

    a.軍工和空間技術(shù)應(yīng)用   應(yīng)用于軍工和空間技術(shù)方面的復(fù)合材料纏繞制品，要求精密、可靠、質(zhì)量輕及經(jīng)濟(jì)等，纖維纏繞制品在航空、航天及軍工方面的應(yīng)用實(shí)例有：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕襯套；火箭發(fā)射筒；魚(yú)雷儀器艙；飛機(jī)機(jī)頭雷達(dá)罩；氧氣瓶（機(jī)載）；直升機(jī)的旋翼；高速分離器轉(zhuǎn)筒；天線桿、點(diǎn)火器，波導(dǎo)管；導(dǎo)彈連接裙；航天飛機(jī)的機(jī)械臂等。

    在這些產(chǎn)品中，最具代表性的是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，例如美國(guó)北極星A導(dǎo)彈一、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，均用纖維纏繞玻璃鋼取代合金鋼，質(zhì)量減輕45%，射程由1600km增加到4000km，生產(chǎn)周期縮短了1/3，成本大幅降低，僅為鈦合金的1/10。

    b.民品方面應(yīng)用   在民晶方面，纖維纏繞制品的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在輕質(zhì)高強(qiáng)、防腐、耐久、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)等方面，已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的產(chǎn)品有：高壓氣瓶（煤氣、氧氣）；輸水工程，防腐管道及配件；各種尺寸和性能貯罐；電機(jī)綁環(huán)及護(hù)環(huán)；風(fēng)機(jī)葉片；跳高運(yùn)動(dòng)員用的撐桿、船桅桿，電線桿；貯能飛輪；汽車(chē)板簧及傳動(dòng)軸；紡織機(jī)劍桿，繞絲筒；羽毛球及網(wǎng)球球拍；防波浮筒；磁選機(jī)筒等。

    最具代表性的民用纏繞制品是玻璃鋼管、罐。它具有一系列優(yōu)點(diǎn)：耐化學(xué)腐蝕；摩擦阻力小，可降低能耗30%左右；質(zhì)量輕，為同口徑鋼管質(zhì)量的1/3～1/5；能生產(chǎn)2～4m大口徑管（而球墨鑄鐵管的最大口徑為1m）；施工安裝費(fèi)用比鋼管低15%～50%；中國(guó)生產(chǎn)的直徑15～20m，容積1000m³以上的大型立式貯罐，已在工程實(shí)際應(yīng)用，性能良好。

 

 

    （1）原材料   纏繞成型的原材料主要是纖維增強(qiáng)材料、樹(shù)脂和填料。

    ①增強(qiáng)材料纏繞成型用的增強(qiáng)材料，主要是各種纖維紗：如無(wú)堿玻璃纖維紗，中堿玻璃纖維紗，碳纖維紗，高強(qiáng)玻璃纖維紗，芳綸纖維紗及表面氈等。

    選擇增強(qiáng)材料時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題。

    a.性能和價(jià)格   碳纖維、芳綸纖維，高強(qiáng)度、高模量玻璃纖維，其性能優(yōu)異，強(qiáng)度大、剛性好，碳纖維和芳綸纖維的質(zhì)量小，但這些纖維價(jià)格貴，常用于航空、航天及體育用品等方面。一般民用產(chǎn)品則多采用普通玻璃纖維。為了充分發(fā)揮不同增強(qiáng)材料的特性和降低成本，也可以采用兩種以上纖維進(jìn)行纏繞。如螺旋纏繞采用碳纖維，環(huán)向纏繞采用玻璃纖維，這樣可以提高纏繞制品的縱向剛度，同時(shí)也能降低成本。

    b.滿足制品的性能要求   無(wú)堿纖維耐水性、電性能好，適用于電器、絕緣制品。中堿纖維價(jià)格比無(wú)堿纖維價(jià)格便宜30%以上，耐酸性能優(yōu)越，應(yīng)大力推廣。

    c.浸透性和粘接性   不論是碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維，用于纏繞成型時(shí)，都應(yīng)進(jìn)行表面處理，保證與樹(shù)脂有較好的浸透性和粘接性。

    d.張力   無(wú)捻粗紗各股紗的張力均勻，不起毛，不斷頭，成帶性好。

    ②樹(shù)脂基體   樹(shù)脂基體是指樹(shù)脂和固化劑組成的膠液體系。纏繞制品的耐熱性，耐化學(xué)腐蝕性及耐自然老化性主要取決于樹(shù)脂性能，同時(shí)對(duì)工藝性、力學(xué)性能也有很大影響。

    其基本要求如下：

    a.適用期要長(zhǎng)，為了保證能順利的完成纏繞過(guò)程，膠液的凝膠時(shí)間應(yīng)大于4h；

    b.樹(shù)脂膠液的流動(dòng)性是保證纖維被浸透，含膠量均勻和紗片中氣泡被排出的必要條件，纏繞成型膠液的黏度應(yīng)控制在0.35～1.0Pa·s；

    c.樹(shù)脂基體的斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)和增強(qiáng)材料相匹配，不能太小；

    d.樹(shù)脂膠液在纏繞過(guò)程中毒性要小，固化后的收縮率要低；

    e.來(lái)源充足，價(jià)格便宜。

    ③填料   種類很多，加入后能改善樹(shù)脂基體的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收縮率等。在膠液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的剛性，減小密度和降低成本等。在生產(chǎn)大口徑地埋管道時(shí)，常加入30%石英砂，借以提高產(chǎn)品的剛性和降低成本。

    為了提高填料和樹(shù)脂之間的粘接強(qiáng)度，填料要保證清潔和表面活性處理。

    （2）芯模   成型中空制品的內(nèi)模稱芯模。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內(nèi)脫出。

    ①芯模設(shè)計(jì)的基本要求

    a.要有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受制品成型加工過(guò)程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應(yīng)力，二次加工時(shí)的切削力等；

    b.能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；

    c.保證產(chǎn)品固化后，能順利從制品中脫出；

    d.制造簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，取材方便。

    ②芯模材料   纏繞成型芯模材料分兩類：（a）熔、溶性材料；（b）組裝式材料。

    a.熔、溶性芯模材料石蠟、水溶性聚乙烯醇型砂、低熔點(diǎn)金屬等，這類材料可用澆鑄法制成空心或?qū)嵭男灸?，制品纏繞成型后，從開(kāi)口處通人熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從制品中流出，流出的溶體，冷卻后重復(fù)使用。

    b.組裝式芯模材料和內(nèi)襯材料組裝式芯模材料常用的有鋁、鋼、夾層結(jié)構(gòu)、木材及石膏等。

    （a）金屬芯模一般設(shè)計(jì)成可拆式結(jié)構(gòu)，制品固化后，從開(kāi)口處將芯模拆散取出，重復(fù)使用。鋼、鋁和夾層結(jié)構(gòu)芯模，可重復(fù)使用，適合于批量產(chǎn)品生產(chǎn)。

    （b）石膏、木材材料來(lái)源廣，價(jià)格低，制造和脫模比較方便。石膏芯模是一次性使用，不能回收。小型產(chǎn)品可用實(shí)心芯模，大型制品，則與木材等制成組裝空心芯模。

    （c）內(nèi)襯材料是制品中的組成部分，固化后不從制品中取出，內(nèi)襯材料的作用主要是防腐和密封，當(dāng)然也可以起到芯模作用，屬于這類材料的有橡膠、塑料、不銹鋼和鋁合金等。

    ③芯模結(jié)構(gòu)形式

    a.石膏隔板式組合結(jié)構(gòu)芯模石膏芯模是一次性使用品，它由金屬芯軸、石膏封頭、石膏隔板、鋁管及石膏面層組成，也可以用鋁金屬型塊組合封頭代替石膏封頭（見(jiàn)圖3-8）。這種芯模的特點(diǎn)為：制作簡(jiǎn)單，成本低，拆除方便，這種芯模最適用于精度要求高的大、中型單件或少件制品，其尺寸精度可達(dá)1mm以內(nèi)。

 

 

    b.管道芯模   分為整體式和開(kāi)縮式兩種，整體式芯模（見(jiàn)圖3-9），適用于直徑小于800mm的玻璃鋼管生產(chǎn)，整體式芯模是用鋼板卷焊而成，也可以用無(wú)縫鋼管加工制造。為了脫模方便，整體式芯模表面要經(jīng)過(guò)打磨、拋光，芯模沿長(zhǎng)度方向要在大于1/1000錐度。

    大于800mm直徑的管芯模，采用開(kāi)縮式芯模如圖3-10所示，芯模殼體由經(jīng)過(guò)酸洗的優(yōu)質(zhì)鋼板卷成，表面經(jīng)過(guò)拋光、打磨，具有高精度和高光潔度。芯模中心軸，沿軸長(zhǎng)度方向，每隔一定距離有一組可伸縮式輻條機(jī)構(gòu)支撐的輪狀環(huán)，用于支撐芯模外殼。脫模時(shí)，通過(guò)液壓機(jī)械裝置，使芯模收縮從固化制品中脫下來(lái)。再用時(shí)，將芯模恢復(fù)到原始尺寸。為了提高生產(chǎn)效率，減少纏繞過(guò)程中裝、卸管芯模的時(shí)間，在纏管機(jī)上增設(shè)多軸芯模裝置（見(jiàn)圖3-11），它是一個(gè)圓盤(pán)回轉(zhuǎn)架，架上可同時(shí)裝3～6根相同或不同直徑的芯模。回轉(zhuǎn)架使每根芯模依次置于纏繞工位進(jìn)行纏繞，在回轉(zhuǎn)架底座旁邊有一個(gè)液壓動(dòng)力升降機(jī)，將纏好的管正確的放在脫模機(jī)上脫模。這種裝置能提高生產(chǎn)率3～6倍。

 

 

    c.貯罐芯模   一般由封頭和罐身組成?？煞謩e制成封頭和罐身構(gòu)件，然后再膠粘成整體。通常罐身用纏繞成型，封頭用手糊或噴射成型。也可以將預(yù)制的封頭和罐身粘成芯模，然后再整體纏繞。

    ④內(nèi)襯   纏繞制品氣密性差，因此在生產(chǎn)高壓容器或航空氧氣瓶時(shí)，必須要用致密材料做內(nèi)襯來(lái)保證。

    a.內(nèi)襯材料的要求   （a）內(nèi)襯材料的致密性要高，不透水，不透氣，密度盡量??；（b）根據(jù)容器的使用條件，內(nèi)襯材料應(yīng)具有防腐蝕或耐高溫低溫性能等；（c）與纏繞結(jié)構(gòu)層有相同的斷裂延伸率和膨脹系數(shù)，能共同承受載荷；（d）能與纏繞結(jié)構(gòu)層牢固地粘接在一起，耐疲勞、不分層；（e）材料易獲得，價(jià)格便宜。

    目前用作內(nèi)襯的材料有鋁、不銹鋼、橡膠和塑料等。

    b.常用的幾種內(nèi)襯材料

    （a）鋁、不銹鋼內(nèi)襯。鋁內(nèi)襯氣密性高，纏繞過(guò)程中能夠起到芯模作用，成型后鋁內(nèi)襯不再由制品中取出。鋁內(nèi)襯在纏繞和固化過(guò)程中變形小與纏繞玻璃鋼的結(jié)構(gòu)層相容性好，已成功用于各種高壓氣瓶生產(chǎn)，能保證制品耐疲勞壽命2000次以上。鋁內(nèi)襯的缺點(diǎn)是焊接技術(shù)要求高、制造復(fù)雜、不耐腐蝕等，不銹鋼內(nèi)襯耐腐蝕，但密度大，兩種金屬內(nèi)襯制造都比較復(fù)雜。

    （b）塑料、橡膠內(nèi)襯。這類材料內(nèi)襯氣密性好，耐化學(xué)腐蝕，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，有彈性等。橡膠內(nèi)襯屬?gòu)椥圆牧?，無(wú)剛度，不能滿足纏繞成型過(guò)程中的芯模承載作用，必須加支承結(jié)構(gòu)。塑料內(nèi)襯材料有尼龍6、ABS、聚氯乙烯、聚乙烯等，這類材料氣密性好，耐化學(xué)腐蝕，制造簡(jiǎn)單，有一定的強(qiáng)度和剛性，可起到內(nèi)襯和芯模作用，成本低。其缺點(diǎn)是耐溫（高、低溫）性差，選用時(shí)必須考慮到制品固化溫度和塑料內(nèi)襯相適應(yīng)。