缠绕成型工艺应用与未来发展（上）

缠绕工艺概述

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。

缠绕制品在民用领域的主要应用包括：复合材料压力管道、储罐、压力容器、呼吸气瓶及天然气气瓶、风机叶片、塔杆、电线杆、绝缘子、体育休闲用品、工业用传动轴、各种辊筒等。

压力容器、气瓶、膜壳

1.交通领域的应用

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。

（1）复合材料管道

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。

海上管道及管缆

海洋石油、天然气等资源深水及超深水的一般开发模式是上部浮式装置 + 底部水下生产系统，连接浮式装置与水下生产系统的管缆包括生产立管、脐带缆等，生产立管的主要作用是输送油气资源等介质，脐带缆的主要作用是为水下设备提供电、液控制信号以及化学药剂等。生产立管、脐带缆等在位运行时主要承受风、浪、流的作用，设计时需要考虑其抗拉、抗弯、抗扭、疲劳等力学性能。

碳纤维材料因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等性能，可以在满足强度要求的同时，大大减轻自重。脐带缆是水下控制系统的关键组成部分，截面复杂，含有多个功能单元，在上部设施和水下生产系统之间传递液压、电力、控制信号、化学药剂等。深水脐带缆中一般含有钢制抗拉铠装层 (偶数，螺旋角度相反)，但是随着水深的增加，脐带缆中钢制铠装层由于自重太大容易造成脐带缆拉断失效。可应用碳纤维增强杆代替钢制铠装层来为脐带缆提供拉力，在满足强度的同时自重也极大地减小。将碳纤维复合材料应用于海洋管缆既可以满足管缆的轻量化要求，又可以提高结构强度。但是，碳纤维管缆在海洋复杂环境下的耐久性需要长时间的工程实践。另外，碳纤维管缆制造成本相比钢制管缆有所提高，但从安装、运营等全寿命周期成本来考虑的话，整体成本将会降低。

目前，水合物及矿产资源开采软管、LNG 低温软管、CO2 注入软管、油气卸载漂浮软管等，对刚度、耐腐及轻量化也具有很高的需求，碳纤维在这些软管中的应用同样具有广阔的前景。

盐和腐蚀性海水对水上船舶和结构特别具有破坏性。考虑到复合材料抗腐蚀和疲劳的能力，通过在特定部件中使用热固性复合材料，如固定件和连接器，可以显著减少维护需求。

航海工业经历了明显的技术进步，如今，船体的制造基于最新一代生产系统。先进复合材料的引入在船只和船舶制造中代表了一个里程碑式的创新。更坚硬的船体和甲板是船舶工业采用复合夹层结构的主要应用领域。此外，在海洋夹层结构中，芳纶、碳素和玻璃 FRP 材料通常用作包裹外层，取代金属。聚合物泡沫材料（如聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC））和蜂窝结构主要用作芯材。将芳纶纤维（如凯夫拉）或碳纤维与高品质树脂和超轻芯材（如诺迈克司）结合起来，制造出具有无与伦比机械性能和尺寸的船只。

应用案例：“短剑”高速隐形快艇拥有美国使用碳纤维合成材料一次成型制造的最大船体，整个生产过程中没有使用一枚钉子、铆钉，而且不用焊接，因此它的外表十分光滑，重量大大降低，同时其磁信号特征也非常小，不易触发水雷。

20 世纪 90 年代，美国使用碳纤维对深潜器的原 始结构进行优化，实现了与之对应水下搜索系统的更 新升级，使用状况显示在满足结构浮力要求的同时， 容重比明显减小，并且下潜深度可达  6096 m 。

2013 年，美国  Ocean Gate  公司推出载人深潜器  Cyclops 研发计划，计划包含两种型号的深潜器，包括  Cyclops I  和  Cyclops II  两种。 其中， Cyclops I  使用碳纤维作为船体外壳，潜深  500 m ；Cyclops II  使用碳纤维和钛合金两种材料，实际潜深 4000 m 。

2017年 3月，由沈阳自动化研究所研制的 “海翼 7000” 水下滑翔机在马里亚纳海沟进行深海科学考察任务，滑翔机的耐压结构诸多部件使用碳纤维，这次科学考察任务中滑翔机的最大连续工作深度为 6239 m，创造了多项世界纪录  。2021 年西北工业大学潘光教授团队研究了碳纤维耐压柱体屈曲失效机理，分析了不同厚度及椭圆度的碳纤维柱体抗屈曲性能。

如混凝土或金属柱，代表了FRP在海洋环境中最常见和有趣的应用之一。事实上，通过用预浸树脂浸渍的纤维或织物包裹结构元素，容易且高效地实现了约束和加固。最初，FRP主要用于恢复遭受严重腐蚀的预压混凝土结构。随后，这些材料被证明也非常适合修复木质和钢柱。

目前，玄武岩纤维具有抗拉强度高、弹性模量大、耐腐蚀性强、化学稳定性好等特点，将其掺入混凝土中有助于玄武岩混凝土具有较好的抗腐蚀性能和其他耐久性能，已被广泛应用。

玻璃纤维是用于生产复合管道的最常见材料，用于将海岸钻井站开采的石油或天然气输送到陆上工厂。在上世纪50年代初期，就开始将玻璃纤维用于制作玻璃钢管道，距今已有70余年历史。其中，1990年，壳牌公司成为世界上最大的玻璃钢管使用商,1990年的数据显示,当时壳牌使用了世界范围内约35%的玻璃钢管,也开创了将玻璃钢管投入到高温、高压的工作环境下作业的先河。

升降管是连接海上浮动设施或钻井平台与水下钻井和生产系统的管道，被认为是最关键的组件，暴露在恶劣和恶劣的工作环境中承受高静态和动态载荷。连接管道的长度和柔性对于承受潜水结构与浮动站之间由海浪运动和海流引起的相对位移至关重要。目前研究者及公司都在开发复合材料的升降管。

例如，一个1500m水深的钻井平台，其钢制系缆的质量就达6500t左右，而碳纤维复合材料密度是普通钢材的1/4，若使用碳纤维复合材料取代部分钢材将显著减少钻井平台的载重负荷，一定程度上可以节省平台的建造成本。美国在90年代就开始了实验验证，正常运行了3年-4年，平均检泵周期达到1204天，从验证结果来看，碳纤维抽油杆效果良好。

海上钻井平台

油气工程领域的应用可分为陆地及海上的应用，主要为油气运输管道和疏浚管道。复合材料管道由于具有超强的耐腐蚀性，正在逐步取代传统钢制管道，并在实际工程中得到广泛的应用。

陆地油气管道、海洋油气管道

在深海油田开采中，受风、浪、流的影响，开采平台在海面上容易变得不稳定，而系泊系统的主要作用就是将开采平台在对应位置进行固定。

传统的系泊系统基本为钢制结构，钢材料在海水中易腐蚀， 平均使用寿命短，且后期维护成本较高。 此外，随着开采深度的增加，钢制结构重量增加明显，如一 个  1500 m 水深的钻井平台，其钢制系缆的质量可达 6500 t 左右 。

复合材料力学性能优异，耐腐蚀性好，利用复合材料代替传统钢制系泊，可有效减轻系缆自身重量并有效减缓海水腐蚀，延长使用寿命。当平台工作水深超过 1600 m 时，复合材料系缆总成本较钢制系缆低。

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。

缠绕成型中的 M51 导弹壳体

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。