缠绕成型工艺应用与未来发展（下）

氢能作为一种零碳能源，具有来源丰富、洁净环保、燃烧值高、无污染、可储运等一系列优点，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源。氢能利用形式广泛，氢燃料电池汽车、燃料电池叉车、燃料电池电站、通讯基站应急备用电源等氢能利用典型产品已逐步推广，这对解决世界面临的能源和环境问题具有重要意义。

氢能利用完整链条包括生产、储存、运输、应用等几方面，而决定氢能是否广泛应用的关键是安全可靠的储氢技术。车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢和有机液体储氢。其中，高压储氢因具有设备结构简单、压缩氧气制备能耗低、充装和排放速度快等优点而备受重视，是目前占绝对主导地位的氢能储输方式。

复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。储氢气瓶进行充气的周期可能较长，而氢气在高压下又具有很强的渗透性，所以氢气储罐内衬材料要有良好的阻隔功能，以保证大部分的气体能够储存于容器中。

汽车的传统轴在过往一般使用钢铁材料制作，这种材料的传动轴弯曲固有频率比较小，在汽车高速行驶的过程中性能不佳，采用两段式式结构也存在不少弊病。碳纤维复合材料汽车传动轴能够很好的解决这个问题，有效提升汽车性能。

汽车传动轴的受力情况比较复杂，尤其要承受很大的扭矩，对材料性能要求较高。碳纤维增强复合材料具有各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点，替代金属材料作为传动轴可较好的满足使用需求。碳纤维传动轴不仅可减轻重量60%，而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。应用实例：丰田86碳纤维传动轴仅5.53kg，减重50%；兰博基尼第六元素概念车使用碳纤维连杆取代钢制连接件，重量减轻40%-50%。

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。

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。

缠绕工艺未来发展方向

1）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。

竹缠绕技术是我国独立研发、具有自主知识产权且可产业化的一项新技术，可用于制备竹缠绕复合材料或缠绕式竹材制品。竹缠绕技术以循环可再生的竹材为原材料，充分利用竹材的轴向拉伸 性、弯曲柔韧性及其内部相互连通的孔隙结构，通过缠绕成型工艺制造竹产品，加工工序简单，自动化程度高，颠覆了木工产品制造工艺，在环保、性能、成本等方面均具有显著优势，可广泛应用。随着竹缠绕技术熟化，使得其在多个领域用竹产品替代钢材、水泥、塑料、玻璃成为可能，且对于实现竹资源高效循环利用，盘活闲置竹资源，增加就业机 会，实现乡村振兴具有重要意义。

目前，竹缠绕技术总体处于初始发展阶段，进程较为缓慢。在缠绕原料标准化、材性研究、竹材种类选择、胶种选择、工艺设计和缠绕技术等方面 需要进行深入的机理性探究，以期获得更加全面且丰富的竹缠绕技术体系。在产品适应性优化设计 与制造方面，产品的设计与制造应将竹材自身结构 的特殊性与目标产品的实际应用相结合，通过优化工艺参数，实现不同使用环境下的产品适应性设计与制造。在产品机械化程度方面，竹缠绕技术的应用潜力巨大，进一步开发竹缠绕产品类型、拓宽其应用领域的前提是提高机械化水平，从而提升竹缠绕技术经济效应和竞争能力。

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

2）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。

多轴纤维缠绕机COMET

3）碳纤维缠绕

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。

IV型700bar高压储氢瓶-Carbon4 Tank