纖維纏繞成型工藝是在纖維張力和預(yù)定成型控制條件下，將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布、預(yù)浸紗）按照一定的規(guī)律纏繞到芯?；騼?nèi)襯上，然后經(jīng)固化、脫模、獲得一定形狀的制品。

 

 

    （1）纖維纏繞成型工藝及分類   根據(jù)纖維纏繞成型時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，其工藝流程如下：

    ①干法纏繞   干法纏繞是采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理（樹脂處于B階段）的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至黏流態(tài)后纏繞到芯摸上。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是生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達100～200m/min，纏繞機清潔，勞動衛(wèi)生條件好，產(chǎn)品質(zhì)量高。其缺點是纏繞設(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度較低。

    ②濕法纏繞   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)點為：a.成本比干法纏繞低40%；b.產(chǎn)品氣密性好，因為纏繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；c.纖維排列平行度好；d.濕法纏繞時，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；e.生產(chǎn)效率高（達200m/min）。

    濕法纏繞的缺點為：a.樹脂浪費大，操作環(huán)境差；b.含膠量及成品質(zhì)量不易控制；c.可供濕法纏繞的樹脂品種較少。

    ③半干法纏繞   半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至模芯的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去。與干法相比，省去了預(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)用最普遍，干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

    （2）纖維纏繞成型的特點

    ①纖維纏繞成型的優(yōu)點  a.能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計纏繞規(guī)律，能充分發(fā)揮纖維的強度；b.比強度高，一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質(zhì)容器相比，質(zhì)量可減輕40%～60%；c.可靠性高，纖維纏繞制品易實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)，工藝條件確定后，纏出來的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確；d.生產(chǎn)效率高，采用機械化或自動化生產(chǎn)，需要操作工人少，纏繞速度快（240m/min），故勞動生產(chǎn)率高；e.成本低，在同一產(chǎn)品上，可合理配選若干種材料（包括樹脂、纖維和內(nèi)襯），使其再復(fù)合，達到最佳的技術(shù)經(jīng)濟效果。

    ②纏繞成型的缺點  a.纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品，因為纏繞時，纖維不能緊貼芯模表面而架空；b.纏繞成型需要有纏繞機，芯模，固化加熱爐，脫模機及熟練的技術(shù)工人，需要的投資大，技術(shù)要求高，因此，只有大批量生產(chǎn)時才能降低成本，才能獲得較高的技術(shù)經(jīng)濟效益。

    （3）纏繞成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

    ①纏繞成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀   自1946年美國發(fā)明用連續(xù)纖維纏繞成型壓力容器方法以來，纏繞成型工藝得到不斷的完善和發(fā)展。就全世界而言，纏繞成型工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料制品，已占世界復(fù)合材料總產(chǎn)量的8%左右。我國在1962～1963年總結(jié)出纖維纏繞規(guī)律，設(shè)計出可纏制各種壓力容器的鏈條式纏繞機，揭開了我國纏繞成型’技術(shù)的歷史。此后，由德國引進大型數(shù)控纏繞機，生產(chǎn)火箭發(fā)動機殼體和6m長、2m直徑的玻璃鋼貯罐。進入20世紀(jì)80年代，先后從意大利、美國、日本等引進了自動化程度較高的微機控制纏繞機，可以生產(chǎn)直徑4m、長15m以內(nèi)的管、罐，引進的現(xiàn)場纏繞機，經(jīng)研究改造后，可以纏20m直徑的立式貯罐。與此同時，我國自行設(shè)計制造的機械式纏繞機，微機控制自動化程度很高的大型纏繞機和連續(xù)纏管機都相繼問世，其技術(shù)水平在某些地方超過國外進口設(shè)備，現(xiàn)已進入國際市場。

    ②纖維纏繞制品開發(fā)應(yīng)用   纖維纏繞制品的開發(fā)應(yīng)用，分為軍工和民用兩個方面。

    a.軍工和空間技術(shù)應(yīng)用   應(yīng)用于軍工和空間技術(shù)方面的復(fù)合材料纏繞制品，要求精密、可靠、質(zhì)量輕及經(jīng)濟等，纖維纏繞制品在航空、航天及軍工方面的應(yīng)用實例有：固體火箭發(fā)動機殼體；固體火箭發(fā)動機燒蝕襯套；火箭發(fā)射筒；魚雷儀器艙；飛機機頭雷達罩；氧氣瓶（機載）；直升機的旋翼；高速分離器轉(zhuǎn)筒；天線桿、點火器，波導(dǎo)管；導(dǎo)彈連接裙；航天飛機的機械臂等。

    在這些產(chǎn)品中，最具代表性的是火箭發(fā)動機殼體，例如美國北極星A導(dǎo)彈一、二級發(fā)動機殼體，我國長征二號火箭發(fā)動機殼體，均用纖維纏繞玻璃鋼取代合金鋼，質(zhì)量減輕45%，射程由1600km增加到4000km，生產(chǎn)周期縮短了1/3，成本大幅降低，僅為鈦合金的1/10。

    b.民品方面應(yīng)用   在民晶方面，纖維纏繞制品的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在輕質(zhì)高強、防腐、耐久、實用、經(jīng)濟等方面，已開發(fā)應(yīng)用的產(chǎn)品有：高壓氣瓶（煤氣、氧氣）；輸水工程，防腐管道及配件；各種尺寸和性能貯罐；電機綁環(huán)及護環(huán)；風(fēng)機葉片；跳高運動員用的撐桿、船桅桿，電線桿；貯能飛輪；汽車板簧及傳動軸；紡織機劍桿，繞絲筒；羽毛球及網(wǎng)球球拍；防波浮筒；磁選機筒等。

    最具代表性的民用纏繞制品是玻璃鋼管、罐。它具有一系列優(yōu)點：耐化學(xué)腐蝕；摩擦阻力小，可降低能耗30%左右；質(zhì)量輕，為同口徑鋼管質(zhì)量的1/3～1/5；能生產(chǎn)2～4m大口徑管（而球墨鑄鐵管的最大口徑為1m）；施工安裝費用比鋼管低15%～50%；中國生產(chǎn)的直徑15～20m，容積1000m³以上的大型立式貯罐，已在工程實際應(yīng)用，性能良好。

 

 

    （1）原材料   纏繞成型的原材料主要是纖維增強材料、樹脂和填料。

    ①增強材料纏繞成型用的增強材料，主要是各種纖維紗：如無堿玻璃纖維紗，中堿玻璃纖維紗，碳纖維紗，高強玻璃纖維紗，芳綸纖維紗及表面氈等。

    選擇增強材料時，應(yīng)注意以下問題。

    a.性能和價格   碳纖維、芳綸纖維，高強度、高模量玻璃纖維，其性能優(yōu)異，強度大、剛性好，碳纖維和芳綸纖維的質(zhì)量小，但這些纖維價格貴，常用于航空、航天及體育用品等方面。一般民用產(chǎn)品則多采用普通玻璃纖維。為了充分發(fā)揮不同增強材料的特性和降低成本，也可以采用兩種以上纖維進行纏繞。如螺旋纏繞采用碳纖維，環(huán)向纏繞采用玻璃纖維，這樣可以提高纏繞制品的縱向剛度，同時也能降低成本。

    b.滿足制品的性能要求   無堿纖維耐水性、電性能好，適用于電器、絕緣制品。中堿纖維價格比無堿纖維價格便宜30%以上，耐酸性能優(yōu)越，應(yīng)大力推廣。

    c.浸透性和粘接性   不論是碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維，用于纏繞成型時，都應(yīng)進行表面處理，保證與樹脂有較好的浸透性和粘接性。

    d.張力   無捻粗紗各股紗的張力均勻，不起毛，不斷頭，成帶性好。

    ②樹脂基體   樹脂基體是指樹脂和固化劑組成的膠液體系。纏繞制品的耐熱性，耐化學(xué)腐蝕性及耐自然老化性主要取決于樹脂性能，同時對工藝性、力學(xué)性能也有很大影響。

    其基本要求如下：

    a.適用期要長，為了保證能順利的完成纏繞過程，膠液的凝膠時間應(yīng)大于4h；

    b.樹脂膠液的流動性是保證纖維被浸透，含膠量均勻和紗片中氣泡被排出的必要條件，纏繞成型膠液的黏度應(yīng)控制在0.35～1.0Pa·s；

    c.樹脂基體的斷裂伸長率應(yīng)和增強材料相匹配，不能太小；

    d.樹脂膠液在纏繞過程中毒性要小，固化后的收縮率要低；

    e.來源充足，價格便宜。

    ③填料   種類很多，加入后能改善樹脂基體的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收縮率等。在膠液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的剛性，減小密度和降低成本等。在生產(chǎn)大口徑地埋管道時，常加入30%石英砂，借以提高產(chǎn)品的剛性和降低成本。

    為了提高填料和樹脂之間的粘接強度，填料要保證清潔和表面活性處理。

    （2）芯模   成型中空制品的內(nèi)模稱芯模。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內(nèi)脫出。

    ①芯模設(shè)計的基本要求

    a.要有足夠的強度和剛度，能夠承受制品成型加工過程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應(yīng)力，二次加工時的切削力等；

    b.能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；

    c.保證產(chǎn)品固化后，能順利從制品中脫出；

    d.制造簡單，造價便宜，取材方便。

    ②芯模材料   纏繞成型芯模材料分兩類：（a）熔、溶性材料；（b）組裝式材料。

    a.熔、溶性芯模材料石蠟、水溶性聚乙烯醇型砂、低熔點金屬等，這類材料可用澆鑄法制成空心或?qū)嵭男灸＃破防p繞成型后，從開口處通人熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從制品中流出，流出的溶體，冷卻后重復(fù)使用。

    b.組裝式芯模材料和內(nèi)襯材料組裝式芯模材料常用的有鋁、鋼、夾層結(jié)構(gòu)、木材及石膏等。

    （a）金屬芯模一般設(shè)計成可拆式結(jié)構(gòu)，制品固化后，從開口處將芯模拆散取出，重復(fù)使用。鋼、鋁和夾層結(jié)構(gòu)芯模，可重復(fù)使用，適合于批量產(chǎn)品生產(chǎn)。

    （b）石膏、木材材料來源廣，價格低，制造和脫模比較方便。石膏芯模是一次性使用，不能回收。小型產(chǎn)品可用實心芯模，大型制品，則與木材等制成組裝空心芯模。

    （c）內(nèi)襯材料是制品中的組成部分，固化后不從制品中取出，內(nèi)襯材料的作用主要是防腐和密封，當(dāng)然也可以起到芯模作用，屬于這類材料的有橡膠、塑料、不銹鋼和鋁合金等。

    ③芯模結(jié)構(gòu)形式

    a.石膏隔板式組合結(jié)構(gòu)芯模石膏芯模是一次性使用品，它由金屬芯軸、石膏封頭、石膏隔板、鋁管及石膏面層組成，也可以用鋁金屬型塊組合封頭代替石膏封頭（見圖3-8）。這種芯模的特點為：制作簡單，成本低，拆除方便，這種芯模最適用于精度要求高的大、中型單件或少件制品，其尺寸精度可達1mm以內(nèi)。

 

 

    b.管道芯模   分為整體式和開縮式兩種，整體式芯模（見圖3-9），適用于直徑小于800mm的玻璃鋼管生產(chǎn)，整體式芯模是用鋼板卷焊而成，也可以用無縫鋼管加工制造。為了脫模方便，整體式芯模表面要經(jīng)過打磨、拋光，芯模沿長度方向要在大于1/1000錐度。

    大于800mm直徑的管芯模，采用開縮式芯模如圖3-10所示，芯模殼體由經(jīng)過酸洗的優(yōu)質(zhì)鋼板卷成，表面經(jīng)過拋光、打磨，具有高精度和高光潔度。芯模中心軸，沿軸長度方向，每隔一定距離有一組可伸縮式輻條機構(gòu)支撐的輪狀環(huán)，用于支撐芯模外殼。脫模時，通過液壓機械裝置，使芯模收縮從固化制品中脫下來。再用時，將芯?；謴?fù)到原始尺寸。為了提高生產(chǎn)效率，減少纏繞過程中裝、卸管芯模的時間，在纏管機上增設(shè)多軸芯模裝置（見圖3-11），它是一個圓盤回轉(zhuǎn)架，架上可同時裝3～6根相同或不同直徑的芯模。回轉(zhuǎn)架使每根芯模依次置于纏繞工位進行纏繞，在回轉(zhuǎn)架底座旁邊有一個液壓動力升降機，將纏好的管正確的放在脫模機上脫模。這種裝置能提高生產(chǎn)率3～6倍。

 

 

    c.貯罐芯模   一般由封頭和罐身組成?？煞謩e制成封頭和罐身構(gòu)件，然后再膠粘成整體。通常罐身用纏繞成型，封頭用手糊或噴射成型。也可以將預(yù)制的封頭和罐身粘成芯模，然后再整體纏繞。

    ④內(nèi)襯   纏繞制品氣密性差，因此在生產(chǎn)高壓容器或航空氧氣瓶時，必須要用致密材料做內(nèi)襯來保證。

    a.內(nèi)襯材料的要求   （a）內(nèi)襯材料的致密性要高，不透水，不透氣，密度盡量??；（b）根據(jù)容器的使用條件，內(nèi)襯材料應(yīng)具有防腐蝕或耐高溫低溫性能等；（c）與纏繞結(jié)構(gòu)層有相同的斷裂延伸率和膨脹系數(shù)，能共同承受載荷；（d）能與纏繞結(jié)構(gòu)層牢固地粘接在一起，耐疲勞、不分層；（e）材料易獲得，價格便宜。

    目前用作內(nèi)襯的材料有鋁、不銹鋼、橡膠和塑料等。

    b.常用的幾種內(nèi)襯材料

    （a）鋁、不銹鋼內(nèi)襯。鋁內(nèi)襯氣密性高，纏繞過程中能夠起到芯模作用，成型后鋁內(nèi)襯不再由制品中取出。鋁內(nèi)襯在纏繞和固化過程中變形小與纏繞玻璃鋼的結(jié)構(gòu)層相容性好，已成功用于各種高壓氣瓶生產(chǎn)，能保證制品耐疲勞壽命2000次以上。鋁內(nèi)襯的缺點是焊接技術(shù)要求高、制造復(fù)雜、不耐腐蝕等，不銹鋼內(nèi)襯耐腐蝕，但密度大，兩種金屬內(nèi)襯制造都比較復(fù)雜。

    （b）塑料、橡膠內(nèi)襯。這類材料內(nèi)襯氣密性好，耐化學(xué)腐蝕，制造工藝簡單，成本低，有彈性等。橡膠內(nèi)襯屬彈性材料，無剛度，不能滿足纏繞成型過程中的芯模承載作用，必須加支承結(jié)構(gòu)。塑料內(nèi)襯材料有尼龍6、ABS、聚氯乙烯、聚乙烯等，這類材料氣密性好，耐化學(xué)腐蝕，制造簡單，有一定的強度和剛性，可起到內(nèi)襯和芯模作用，成本低。其缺點是耐溫（高、低溫）性差，選用時必須考慮到制品固化溫度和塑料內(nèi)襯相適應(yīng)。