复合材料缠绕工艺全景解析-技术的过去与未来（上篇）

缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。　

干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱（或带）是专业生产，能严格控制树脂含量（精确到2%以内）和预浸纱质量。因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min，缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。其缺点是缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，故投资较大。此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。

湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好，因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；③纤维排列平行度好；④湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）。湿法缠绕的缺点为：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少。

半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。

三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。

缠绕管道工艺是增强树脂成型工艺中，实现全自动化、生产率较高、原材料利用率高、制品成本较低的优秀工艺。因而其具有广阔的发展前景。此章节将近几十年拉挤成型工艺缠绕管道工艺进展及设备进行阐述。

从国内发展情况看，1946 年，首个纤维缠绕技术专利在美国注册，纤维缠绕成型工艺开始发展。按实现形成螺旋线的主运动方式，所用的缠绕机的布局类型在20世纪60年代已基本完成，具体如下图所示。

图 螺旋缠绕

1965 年，北京 251 厂设计了我国首台卧式纤维缠绕机“525”，该缠绕机于 2011 年“退休”。1966 年，设计了齿链式机械无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机，此机不用挂轮，可便捷地调节缠绕规律与排纱密度，生产了多种规格的气瓶。从结构布局考虑，对生产15 L 及其以下气瓶用的链条式缠绕机采取链传动垂直面布置；生产 20 L 及其以上气瓶用的链条式缠绕机采取链传动水平面布置，其链轮由前者的两只变为四只。

图 基本卧式纤维缠绕机

图 无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机传动系统

(北京251厂)

图 “525”我国第一台环链卧式纤维缠绕机(北京251厂)

1966年，国家纺织工业部下达大型立式纤维缠绕机项目，七机部43所、中国纺织科学研究院、北京251厂、太原重型机械厂、陕西重型机械厂共五家单位参加。该项目于次年完成，迄今仍在使用。1984年，北京电力设备总厂引进了加拿大立式缠绕机。

图 立式绕臂纤维缠绕机

1974年，北京251厂成功研制X2型行星式纤维缠绕机，传动系统中采用了三轴同心行星原理。

图 行星式纤维缠绕机(北京251厂)

20世纪90年代起，囯内一些大学和企业纷纷开展了MCFW和机器人缠绕机研发，如哈尔滨玻璃钢研究院、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、中船625所、武汉九迪复合材料公司、哈尔滨理工大学、南京航空航天大学及其合作之上海万格公司、苏州中科时代电子技术公司、衡水华成公司、连云港中通公司、连云港唯德公司、石家庄莱德公司、湖南江南四棱数控机械有限公司、台湾省工业研究院、台湾省金财兴公司等。2000年，笔者曾访问位于新竹的工业研究院，得知其已成功研发了7轴缠绕机。几年前我国海关已明令，我国四轴以上缠绕机限制出口，抚今追昔，笔者深为我国进步而自豪！

图 微机控制7轴4联动双小车重型缠绕机

（武汉理工大学）

微机控制纤维缠绕张力的纱架已在国内外推广，21世纪初苏州中科时代开发成功，北京251厂实用最早（2004）。武工大、哈工大、江南四棱数控等单位现也已投入使用。

图 苏州中科时代公司开发的微机控制纤维缠绕张力的纱架及缠绕机

2014年，上海万格复合材料技术公司综合五家德国公司和三家国内公司技术，成功开发机器人纤维缠绕气瓶自动生产线，已出口日本。台湾省购其10工位缠绕设备，生产的液化气罐已获德国认证。

图 国产纤维缠绕气瓶自动生产线(上海万格公司)

2010年，上海引进意大利VEM公司连续管生产线投产。2016 年，新疆永昌公司引进英国 Tech-no⁃bll 公司连续管生产线。近年连云港、重庆推出了相同原理的生产线。青岛曾开发无凸轮的钢带式连续管机。国内设备开发中的经验教训是，要重视工艺及其软件，设备运行要稳定，忌钢带打滑与重叠。泉州福建路通管业科技股份有限公司引进欧洲技术制造了凸轮钢带式连续管生产线,生产直径最大达4 m。

河北省景县恒安泰公司即采用美国Fiberspar连续管道生产工艺，其承担的国家十二五863科技项目——柔性海底管道关键技术研究，于2016年通过国家科技部组织的专家验收。其连续管道生产线。

图 河北省景县恒安泰公司连续管道生产线

2020年，重庆庆阳控股（集团）有限公司/河南省沁阳市复合材料研究院与濮阳县福瑞普建材公司分别成功研制直径为 10 mm~250 mm高效连续缠绕玻璃钢管生产线。此线无钢带建模，在简捷的设备上，低成本高效率完成玻璃钢管道的连续成型，其生产速度可以达到 2 m/min。其诀窍系牵引履带机公转自转同步进行。韩国亦有此类似设备。小直径非钢带连续缠绕玻璃钢管生产线及其牵引部件见图。

图 小直径非钢带连续缠绕玻璃钢管生产线

从国外发展情况看，FW)发展甚快。知名厂家有美国安德逊公司、哥德华赛工程公司（Goldsworthy Engineering）、工程技术公司（Entec-Engineering Technology）、德囯百事得(BSD)公司、华特与威瑟(Waltritisch & Wachter)公司等。现在国际市场上的缠绕机已达到六轴。

图 美国安德逊公司微机控制6轴纤维缠绕机动作

2004年创立的法国 MFTech 公司最早研究机器人缠绕并将其商业化，由该公司提供的机器人缠绕设备充分利用了机器人的柔性，可采用抓取模具和带动导丝头两种方式进行缠绕成型。

图  MFTech机器人缠绕

美国Fiberspar公司于1999年开始商业化生产连续缠绕柔性管，据称是当今全球业界的领导者。其生产工艺是：挤出高密度聚乙烯或交联聚乙烯热塑性塑料内衬层（压力防渗漏层）-多次环向缠绕玻纤环氧层(结构层)-外包覆热塑性塑料层（耐磨层）。整个生产线全部自动控制，由14台缠绕机、牵引机、固化炉、收卷装置以及两台挤出机等组成。在塑料管上纤维缠绕玻璃钢后在线挤出外塑料保护层，制成管线。生产速度取决于管径，一般为2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管线连续生产长度可达10800 m，理论上可以达无限长度。

在能源化工及交通领域的应用

图 压力容器、气瓶、膜壳

汽车作为现代产业在科技的带动下快速发展，随着汽车复合材料应用水平的不断提高，复合材料单车用量将逐渐增加，2015年我国汽车工业所需塑料、复合材料总量约为 165 万 t。随着成型技术和装备的不断发展，复合材料汽车零部件在汽车领域的应用将日益扩大。为了提高汽车轻质、高强的性能，复合材料逐渐取代传统汽车制造应用材料，缠绕技术在汽车制造上的主要应用为传动轴、排气管、涡轮增压管、车载气瓶、吸能器、保险杠等。

海洋船舶领域对复合材料需求最多的是复合材料管道，缠绕成型的复合材料管道因具有耐腐蚀、耐油、耐高温等特性被广泛应用于海上油气运输、海洋平台及船舶等领域。除此之外，还有疏浚管道、海底输油软管、潜艇耐压壳体、深海探测器、潜水呼吸气瓶、船桅杆等应用。

图 海上管道及管缆

图 陆地油气管道、海洋油气管道

未完待续

参考文献

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