纏繞工藝概述

纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、預(yù)浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品。根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種?！?/span>

干法纏繞是采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。由于預(yù)浸紗（或帶）是專業(yè)生產(chǎn)，能嚴(yán)格控制樹脂含量（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。

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：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好，因?yàn)槔p繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；③纖維排列平行度好；④濕法纏繞時(shí)，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高（達(dá)200m/min）。濕法纏繞的缺點(diǎn)為：①樹脂浪費(fèi)大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少。

半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預(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)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

纏繞制品在民用領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括：復(fù)合材料壓力管道、儲(chǔ)罐、壓力容器、呼吸氣瓶及天然氣氣瓶、風(fēng)機(jī)葉片、塔桿、電線桿、絕緣子、體育休閑用品、工業(yè)用傳動(dòng)軸、各種輥筒等。

壓力容器、氣瓶、膜殼

1.交通領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車作為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)在科技的帶動(dòng)下快速發(fā)展，隨著汽車復(fù)合材料應(yīng)用水平的不斷提高，復(fù)合材料單車用量將逐漸增加，2015年我國(guó)汽車工業(yè)所需塑料、復(fù)合材料總量約為 165 萬 t。隨著成型技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展，復(fù)合材料汽車零部件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將日益擴(kuò)大。為了提高汽車輕質(zhì)、高強(qiáng)的性能，復(fù)合材料逐漸取代傳統(tǒng)汽車制造應(yīng)用材料，纏繞技術(shù)在汽車制造上的主要應(yīng)用為傳動(dòng)軸、排氣管、渦輪增壓管、車載氣瓶、吸能器、保險(xiǎn)杠等。

（1）復(fù)合材料管道

海洋船舶領(lǐng)域?qū)?fù)合材料需求最多的是復(fù)合材料管道，纏繞成型的復(fù)合材料管道因具有耐腐蝕、耐油、耐高溫等特性被廣泛應(yīng)用于海上油氣運(yùn)輸、海洋平臺(tái)及船舶等領(lǐng)域。除此之外，還有疏浚管道、海底輸油軟管、潛艇耐壓殼體、深海探測(cè)器、潛水呼吸氣瓶、船桅桿等應(yīng)用。

海上管道及管纜

海洋石油、天然氣等資源深水及超深水的一般開發(fā)模式是上部浮式裝置 + 底部水下生產(chǎn)系統(tǒng)，連接浮式裝置與水下生產(chǎn)系統(tǒng)的管纜包括生產(chǎn)立管、臍帶纜等，生產(chǎn)立管的主要作用是輸送油氣資源等介質(zhì)，臍帶纜的主要作用是為水下設(shè)備提供電、液控制信號(hào)以及化學(xué)藥劑等。生產(chǎn)立管、臍帶纜等在位運(yùn)行時(shí)主要承受風(fēng)、浪、流的作用，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其抗拉、抗彎、抗扭、疲勞等力學(xué)性能。

碳纖維材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等性能，可以在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，大大減輕自重。臍帶纜是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，截面復(fù)雜，含有多個(gè)功能單元，在上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間傳遞液壓、電力、控制信號(hào)、化學(xué)藥劑等。深水臍帶纜中一般含有鋼制抗拉鎧裝層 (偶數(shù)，螺旋角度相反)，但是隨著水深的增加，臍帶纜中鋼制鎧裝層由于自重太大容易造成臍帶纜拉斷失效?？蓱?yīng)用碳纖維增強(qiáng)桿代替鋼制鎧裝層來為臍帶纜提供拉力，在滿足強(qiáng)度的同時(shí)自重也極大地減小。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于海洋管纜既可以滿足管纜的輕量化要求，又可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是，碳纖維管纜在海洋復(fù)雜環(huán)境下的耐久性需要長(zhǎng)時(shí)間的工程實(shí)踐。另外，碳纖維管纜制造成本相比鋼制管纜有所提高，但從安裝、運(yùn)營(yíng)等全壽命周期成本來考慮的話，整體成本將會(huì)降低。

目前，水合物及礦產(chǎn)資源開采軟管、LNG 低溫軟管、CO2 注入軟管、油氣卸載漂浮軟管等，對(duì)剛度、耐腐及輕量化也具有很高的需求，碳纖維在這些軟管中的應(yīng)用同樣具有廣闊的前景。

鹽和腐蝕性海水對(duì)水上船舶和結(jié)構(gòu)特別具有破壞性?？紤]到復(fù)合材料抗腐蝕和疲勞的能力，通過在特定部件中使用熱固性復(fù)合材料，如固定件和連接器，可以顯著減少維護(hù)需求。

航海工業(yè)經(jīng)歷了明顯的技術(shù)進(jìn)步，如今，船體的制造基于最新一代生產(chǎn)系統(tǒng)。先進(jìn)復(fù)合材料的引入在船只和船舶制造中代表了一個(gè)里程碑式的創(chuàng)新。更堅(jiān)硬的船體和甲板是船舶工業(yè)采用復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。此外，在海洋夾層結(jié)構(gòu)中，芳綸、碳素和玻璃 FRP 材料通常用作包裹外層，取代金屬。聚合物泡沫材料（如聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC））和蜂窩結(jié)構(gòu)主要用作芯材。將芳綸纖維（如凱夫拉）或碳纖維與高品質(zhì)樹脂和超輕芯材（如諾邁克司）結(jié)合起來，制造出具有無與倫比機(jī)械性能和尺寸的船只。

應(yīng)用案例：“短劍”高速隱形快艇擁有美國(guó)使用碳纖維合成材料一次成型制造的最大船體，整個(gè)生產(chǎn)過程中沒有使用一枚釘子、鉚釘，而且不用焊接，因此它的外表十分光滑，重量大大降低，同時(shí)其磁信號(hào)特征也非常小，不易觸發(fā)水雷。

20 世紀(jì) 90 年代，美國(guó)使用碳纖維對(duì)深潛器的原 始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了與之對(duì)應(yīng)水下搜索系統(tǒng)的更 新升級(jí)，使用狀況顯示在滿足結(jié)構(gòu)浮力要求的同時(shí)， 容重比明顯減小，并且下潛深度可達(dá)  6096 m 。

2013 年，美國(guó)  Ocean Gate  公司推出載人深潛器  Cyclops 研發(fā)計(jì)劃，計(jì)劃包含兩種型號(hào)的深潛器，包括  Cyclops I  和  Cyclops II  兩種。 其中， Cyclops I  使用碳纖維作為船體外殼，潛深  500 m ；Cyclops II  使用碳纖維和鈦合金兩種材料，實(shí)際潛深 4000 m 。

2017年 3月，由沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的 “海翼 7000” 水下滑翔機(jī)在馬里亞納海溝進(jìn)行深?？茖W(xué)考察任務(wù)，滑翔機(jī)的耐壓結(jié)構(gòu)諸多部件使用碳纖維，這次科學(xué)考察任務(wù)中滑翔機(jī)的最大連續(xù)工作深度為 6239 m，創(chuàng)造了多項(xiàng)世界紀(jì)錄  。2021 年西北工業(yè)大學(xué)潘光教授團(tuán)隊(duì)研究了碳纖維耐壓柱體屈曲失效機(jī)理，分析了不同厚度及橢圓度的碳纖維柱體抗屈曲性能。

如混凝土或金屬柱，代表了FRP在海洋環(huán)境中最常見和有趣的應(yīng)用之一。事實(shí)上，通過用預(yù)浸樹脂浸漬的纖維或織物包裹結(jié)構(gòu)元素，容易且高效地實(shí)現(xiàn)了約束和加固。最初，F(xiàn)RP主要用于恢復(fù)遭受嚴(yán)重腐蝕的預(yù)壓混凝土結(jié)構(gòu)。隨后，這些材料被證明也非常適合修復(fù)木質(zhì)和鋼柱。

目前，玄武巖纖維具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、耐腐蝕性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，將其摻入混凝土中有助于玄武巖混凝土具有較好的抗腐蝕性能和其他耐久性能，已被廣泛應(yīng)用。

玻璃纖維是用于生產(chǎn)復(fù)合管道的最常見材料，用于將海岸鉆井站開采的石油或天然氣輸送到陸上工廠。在上世紀(jì)50年代初期，就開始將玻璃纖維用于制作玻璃鋼管道，距今已有70余年歷史。其中，1990年，殼牌公司成為世界上最大的玻璃鋼管使用商,1990年的數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)時(shí)殼牌使用了世界范圍內(nèi)約35%的玻璃鋼管,也開創(chuàng)了將玻璃鋼管投入到高溫、高壓的工作環(huán)境下作業(yè)的先河。

升降管是連接海上浮動(dòng)設(shè)施或鉆井平臺(tái)與水下鉆井和生產(chǎn)系統(tǒng)的管道，被認(rèn)為是最關(guān)鍵的組件，暴露在惡劣和惡劣的工作環(huán)境中承受高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷。連接管道的長(zhǎng)度和柔性對(duì)于承受潛水結(jié)構(gòu)與浮動(dòng)站之間由海浪運(yùn)動(dòng)和海流引起的相對(duì)位移至關(guān)重要。目前研究者及公司都在開發(fā)復(fù)合材料的升降管。

例如，一個(gè)1500m水深的鉆井平臺(tái)，其鋼制系纜的質(zhì)量就達(dá)6500t左右，而碳纖維復(fù)合材料密度是普通鋼材的1/4，若使用碳纖維復(fù)合材料取代部分鋼材將顯著減少鉆井平臺(tái)的載重負(fù)荷，一定程度上可以節(jié)省平臺(tái)的建造成本。美國(guó)在90年代就開始了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，正常運(yùn)行了3年-4年，平均檢泵周期達(dá)到1204天，從驗(yàn)證結(jié)果來看，碳纖維抽油桿效果良好。

海上鉆井平臺(tái)

油氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用可分為陸地及海上的應(yīng)用，主要為油氣運(yùn)輸管道和疏浚管道。復(fù)合材料管道由于具有超強(qiáng)的耐腐蝕性，正在逐步取代傳統(tǒng)鋼制管道，并在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

陸地油氣管道、海洋油氣管道

在深海油田開采中，受風(fēng)、浪、流的影響，開采平臺(tái)在海面上容易變得不穩(wěn)定，而系泊系統(tǒng)的主要作用就是將開采平臺(tái)在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行固定。

傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)基本為鋼制結(jié)構(gòu)，鋼材料在海水中易腐蝕， 平均使用壽命短，且后期維護(hù)成本較高。 此外，隨著開采深度的增加，鋼制結(jié)構(gòu)重量增加明顯，如一 個(gè)  1500 m 水深的鉆井平臺(tái)，其鋼制系纜的質(zhì)量可達(dá) 6500 t 左右 。

復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，耐腐蝕性好，利用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制系泊，可有效減輕系纜自身重量并有效減緩海水腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。當(dāng)平臺(tái)工作水深超過 1600 m 時(shí)，復(fù)合材料系纜總成本較鋼制系纜低。

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)化成型工藝主要包括纖維絲纏繞、纖維帶纏繞和纖維絲鋪放三種類型。由于纏繞制品的高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等性能，目前纏繞制品在航空領(lǐng)域可用于雷達(dá)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、燃料儲(chǔ)箱、飛機(jī)副油箱和過濾器等零部件的成型，還可應(yīng)用于小型飛機(jī)與直升機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、槳葉、起落架等結(jié)構(gòu)的成型?，F(xiàn)代大型噴氣客機(jī)上眾多的高壓氣瓶都是采用復(fù)合材料纏繞成型工藝制造的。

在航天領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于神舟飛船承力構(gòu)件、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、返回艙、空間系統(tǒng)、復(fù)合材料壓力容器、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等方面的制造。在國(guó)防軍工領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于大型導(dǎo)彈復(fù)合材料發(fā)射筒、魚雷發(fā)射管、姿控系統(tǒng)、槍架、火箭發(fā)射筒、軌道炮身管等。

先進(jìn)復(fù)合材料的纏繞、鋪放成型是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，大飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼，風(fēng)電葉片等核心部件的關(guān)鍵制造技術(shù)，對(duì)我國(guó)重大項(xiàng)目的實(shí)施和航空航天事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。多年來，我國(guó)復(fù)合材料纏繞、鋪放成型制造技術(shù)一直面臨“卡脖子”難題，2022年4月2日，由星火機(jī)床集團(tuán)公司聯(lián)合武漢理工大學(xué)研發(fā)的國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合材料數(shù)控纏繞設(shè)備正式交付委托方。由此，長(zhǎng)期依賴國(guó)外的復(fù)合材料纏繞設(shè)備“卡脖子”難題得以徹底解決，星火機(jī)床集團(tuán)公司也全面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控的重大突破。

復(fù)合材料作為一種先進(jìn)材料，具有非常廣闊的發(fā)展空間。先進(jìn)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到航空航天、國(guó)防裝備及能源開發(fā)等領(lǐng)域，并推動(dòng)了相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，在很大程度上取決于復(fù)合材料的成型工藝。其中，纏繞和鋪放技術(shù)是近年來發(fā)展快、有效的技術(shù)。

纏繞技術(shù)是指在控制張力和預(yù)定線型的條件下，將預(yù)浸膠纖維或布帶連續(xù)地纏繞在相應(yīng)于制品內(nèi)腔尺寸的芯?；騼?nèi)襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。

帶纏繞成型技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，在功能方面不斷擴(kuò)大。從國(guó)外來看，美國(guó)已將帶纏繞成型工藝應(yīng)用于型號(hào)研制：MD-2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管部件中的 13 個(gè)零件，“侏儒”導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管都是通過纏繞成型；歐洲、日本也在航天器、武器研制等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用帶纏繞成型工藝：歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管，法國(guó) M51 導(dǎo)彈的殼體，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復(fù)合材料。

纏繞成型中的 M51 導(dǎo)彈殼體

在國(guó)內(nèi)，我國(guó)自60年代就開始研制復(fù)合材料纏繞設(shè)備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及華中科技大學(xué)等單位先后研制出不同的復(fù)合材料纏繞成型設(shè)備。西工大通過自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機(jī)，工作效率高，纏繞出的制品達(dá)到型號(hào)工藝要求，成為能夠滿足高性能發(fā)動(dòng)機(jī)噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關(guān)鍵配套設(shè)備。但是，上述纏繞成型設(shè)備基本上都是針對(duì)型面規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件研制開發(fā)的，對(duì)于諸如大飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、風(fēng)電葉片等大型非規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無法實(shí)現(xiàn)纏繞成型。