复合材料缠绕工艺全景解析-技术的过去与未来（下篇）

在航空航天及军工领域的应用

飞机复合材料构件的自动化成型工艺主要包括纤维丝缠绕、纤维带缠绕和纤维丝铺放三种类型。由于缠绕制品的高强度、耐高温、耐腐蚀等性能，目前缠绕制品在航空领域可用于雷达罩、发动机机匣、燃料储箱、飞机副油箱和过滤器等零部件的成型，还可应用于小型飞机与直升机机身、机翼、桨叶、起落架等结构的成型。现代大型喷气客机上众多的高压气瓶都是采用复合材料缠绕成型工艺制造的。

在航天领域，缠绕成型技术主要应用于神舟飞船承力构件、卫星结构、返回舱、空间系统、复合材料压力容器、固体火箭发动机壳体等方面的制造。在国防军工领域，缠绕成型技术主要应用于大型导弹复合材料发射筒、鱼雷发射管、姿控系统、枪架、火箭发射筒、轨道炮身管等。

先进复合材料的缠绕、铺放成型是固体火箭发动机壳体，大飞机机身、机翼，风电叶片等核心部件的关键制造技术，对我国重大项目的实施和航空航天事业的发展有着举足轻重的作用。多年来，我国复合材料缠绕、铺放成型制造技术一直面临“卡脖子”难题，2022年4月2日，由星火机床集团公司联合武汉理工大学研发的国家重点项目，多轴联动复合材料数控缠绕设备正式交付委托方。由此，长期依赖国外的复合材料缠绕设备“卡脖子”难题得以彻底解决，星火机床集团公司也全面实现了关键核心技术自主可控的重大突破。

复合材料作为一种先进材料，具有非常广阔的发展空间。先进复合材料具有质量轻、比强度高、耐高温和耐腐蚀等一系列优点，被广泛应用到航空航天、国防装备及能源开发等领域，并推动了相关工业领域的快速发展。复合材料的广泛应用，在很大程度上取决于复合材料的成型工艺。其中，缠绕和铺放技术是近年来发展快、有效的技术。

缠绕技术是指在控制张力和预定线型的条件下，将预浸胶纤维或布带连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化成一定形状制品的方法。

带缠绕成型技术随着计算机技术、信息技术、控制技术的发展，在功能方面不断扩大。从国外来看，美国已将带缠绕成型工艺应用于型号研制：MD-2 固体火箭发动机喷管部件中的 13 个零件，“侏儒”导弹的发动机喷管都是通过缠绕成型；欧洲、日本也在航天器、武器研制等领域广泛地应用带缠绕成型工艺：欧洲“阿里安”火箭的助推器喷管，法国 M51 导弹的壳体，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器喷管都在使用缠绕成型的复合材料。

在国内，我国自60年代就开始研制复合材料缠绕设备及其成型工艺。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及华中科技大学等单位先后研制出不同的复合材料缠绕成型设备。西工大通过自主研发的多功能布带数控缠绕机，工作效率高，缠绕出的制品达到型号工艺要求，成为能够满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的关键配套设备。但是，上述缠绕成型设备基本上都是针对型面规则的回转体零件研制开发的，对于诸如大飞机的机翼、机身、风电叶片等大型非规则复杂结构件无法实现缠绕成型。

随着复合材料相关技术的发展，带缠绕、铺放成型技术呈现出多工艺复合化、成型设备精密化、CAD/CAM技术应用日益增多、成型设备与机器人结合化、热塑性树脂基复合材料逐渐增多及新型固化技术不断应用的发展趋势。经过 40 余年的研究与发展，我国复合材料缠绕、铺放成型制造技术的研究和应用已初具规模，但仍然面临着国外技术的严密封锁与技术储备的严重不足。由星火机床集团公司联合武汉理工大学研发的多轴联动复合材料数控缠绕设备正式交付委托方。由此，长期依赖国外的复合材料缠绕设备“卡脖子”难题得以彻底解决。

图 多轴联动复合材料数控缠绕设备

这次交付用户的设备是国家重点项目关键设备，是集新工艺、新材料制造技术、自动控制技术等为一体的智能化高新技术产品，能够完成各种非金属玻璃纤维、碳纤维复合材料产品的筒形、球形、锥形等形状的缠绕加工生产。该设备主要有自动化程度高、精度高、可靠性强等特点，突破了国内很多的技术瓶颈，解决了国内（技术）卡脖子问题，填补了国内空白。

生物基“以竹代塑”

竹缠绕复合材料，以水溶性氨基类树脂为胶黏剂，采用缠绕工艺加工成型的新型生物基材料，属于新型生物基材料。竹缠绕技术，打破了数千年来人类对于竹子的应用形成的固有认识，开启了传统竹产业变革的新征程。竹缠绕复合材料技术可以广泛应用于市政、水利、建筑、交通、石油化工、海洋、航天、国防建设等多个领域，对于国民经济发展具有重要作用。

图 国际竹藤中心与浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司研发的竹缠绕产品

高精度多轴纤维缠绕

高精度多轴纤维缠绕生产线是生产制作高精度、高强度等高性能纤维缠绕制品的生产线，主要由缠绕机轨道或门架、驱动床头、床尾、缠绕小车、浸胶系统、导丝嘴翻转装置、伸臂进给装置及纱架、电子气动伺服张力控制系统、加热装置、PLC控制系统和电气控制系统及安全防护系统等部分组成。能满足各种树脂和纤维体系的球体、锥体、圆柱体、(半)椭球体、矩形体以及组合体等轴对称结构件缠绕制品的制作。适用于对产品性能要求较高的运输及航空航天领域。

图 多轴纤维缠绕机 COMET

碳纤维连续缠绕

碳纤维，因其出色的性能，逐渐成为氢气瓶制造的主流材料。然而，早期在国内，由于70 MPa碳纤维缠绕IV型瓶的制备技术不成熟和规模化生产难度大，造成了较高的制备成本，限制了这一技术的广泛应用。但随着技术的持续发展和生产规模的扩大，成本逐渐降低，这为氢气瓶的进一步普及和应用奠定了基础。

在氢气瓶的技术进化中，Ⅲ型和Ⅳ型气瓶标志着一个重要的转变。这两种类型的气瓶主要由内胆和纤维缠绕层组成，采用了先进的复合材料技术。内胆通常由金属或其他材料制成，而外围则由碳纤维、玻璃纤维等高强度纤维复合材料缠绕而成，显著提高了气瓶的承压能力和安全性。

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