第23卷 第6期2004年12月
天 津 工 业 大 学 学 报
JOURNA L OF TIAN JIN POLYTECHNIC UNIVERSIT Y
V ol.23 N o.6
谢 霞1,2，邱冠雄1，姜亚明1
(1.天津工业大学复合材料研究所，天津300160;2.军事交通学院装运机械系，天津300161)组合式空调器
摘 要：从纤维缠绕的概念、发展史及发展趋势等方面对纤维缠绕技术的发展过程及研究现状做了综述，重点介绍了未来纤维缠绕工艺和纤维缠绕机械的发展趋势，即缠绕工艺与其他工艺的复合化、热塑性树脂缠绕的日 益增多以及缠绕机械的精密化、高效化、柔性化等，并对我国纤维缠绕技术的现状做了概述.
关键词：纤维缠绕工艺；纤维缠绕机；复合材料
中图分类号:TS105.49;T B332 文献标识码:A 文章编号:16712024X(2004)0620019204
Development and research situation of filament winding technology
XIE X ia1,2,QI U G uan2xiong1,J I ANG Y a2ming1
(1.Institute of C omposite Materials,T ianjin P olytechnic University,T ianjin300160,China;2.Department of Handling Facili2
ties,Military T raffic Institute,T ianjin300161,China)
Abstract:A summary of the development and research situation of filament winding technology is presented,which includes the concept,history and development trend.The emphasis is focused on the development trend of the filament winding pro2
cess and its equipment in the future,such as the combination of filament winding process and other processes,the
rapid increasing of therm oplastic filament winding,the high precision,high efficiency,g ood flexibility of filament
winding equipment and s o on.The research situation of technology at home is presented at last.
K ey w ords:filament winding process;filament winding equipment;composites
纤维缠绕是树脂基复合材料制品成型常用的工艺
方法.这种方法通过材料力学设计，可充分发挥纤维拉
伸强度高的特性，用于制造承受内/外压、弯曲、扭转、
轴向载荷等情况下的产品.由于纤维缠绕制品具有比强度高、耐腐蚀、成本低、质量稳定等优点，而且易于实现机械化、自动化，生产效率高，因而应用十分广泛，如固体火箭发动机壳体、雷达罩、直升飞机叶片、管道和各种压力容器等，现已形成批量生产的产业.
预计纤维缠绕复合材料将在本世纪获得更大的发展.
1 纤维缠绕技术的发展历程
在生产纤维复合材料产品的技术中，纤维缠绕技术是最早开发和最广泛使用的加工技术，亦是最重要的生产技术之一[1].所谓纤维缠绕，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.图1直观地说明了纤维缠绕制品生产的基本过程.
图1 纤维缠绕示意图
Fig.1 Sketch m ap of filament winding technology
在纤维缠绕成型中，常用的增强材料主要有玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维3种；常用的树脂基体有热固性聚酯、乙烯基酯、环氧树脂和酚醛树脂等；成型方法
收稿日期:2004-03-22
作者简介：谢 霞(1970—)，女，山东省昌邑市人，讲师，博士研究生；邱冠雄(1940—)，男，上海市人，教授，导师.
可简单分为湿法(纤维在缠绕过程中浸渍树脂)和干
法(预浸纤维束/带)缠绕.目前大量生产的纤维缠绕制品主要是使用玻璃纤维增强塑料(我国俗称玻璃钢)，以湿法缠绕生产.这种制品原材料成本较低，可有力地同传统金属材料竞争，因而在市场上的占有率很高.而其他高性能纤维由于价格较高，其应用仍以尖端军用产品及航空航天领域为主.
有记录的纤维缠绕制品的最早应用是1945年制成的玻璃钢环，用于工程.1946年，纤维缠绕成型工艺在美国取得专利.1947年美国K ellog公司成功地制成世界上第一台缠绕机[1].随后缠绕了第一台火箭发动机壳体，直径5英寸，长5英尺[2].20世纪50年代美国宇航局和空军材料研究室用纤维缠绕工艺研制成功“北极星A3”导弹发动机壳体[1]，在质量减轻1/2、射程提高一倍多的情况下，成本仅为钛合金的1/10，从而奠定了纤维缠绕在制造尖端军用产品(火箭和导弹)中的重要地位.20世纪60～70年代是纤维缠绕技术飞速发展的阶段.在这一时期，纤维缠绕用的纤维仍然是以玻璃纤维为主导.但是，随着新纤维的不断问世，纤维缠绕的应用领域也拓宽了，已从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及风能系统等重要的民用部门.商用纤维缠绕机也开始在市场上销售.美国的多家公司都在生产各种高压管、污水管等，并缠绕出巨大体积的复合材料产品，如直径8m、长38m的风车叶片[2]和直径10m、容积1000m3的巨型储罐等.20世纪80年代，纤维缠绕仍然以航空和国防为主，但在民用领域进一步扩展，如水力工程中用于制造各种压力管道、压力容器等.在这期间，第一台计算机控制的纤维缠绕机问世，使缠绕精度更高、形状更复杂的产品成为可能[2].进入20世纪90年代，纤维缠绕技术发展速度明显加快，进入新的高速发展阶段[3].商用领域进一步扩展到汽车、救生设备、运动器材等.多轴缠绕机已出现并得到发展.
目前，纤维缠绕技术已广泛应用于发动机机匣、燃料贮箱、发动机短舱、飞机副油箱等航空航天领域[4～6]，以及导弹、发射管、机架、火箭发射筒等军事领域[7～9]，也用于制作各种压力管道、贮罐、天然气瓶、轴承、绝缘制品、体育器材、交通工具等民用产品[10～17].值得一提的是，纤维缠绕轴承在近年来得到了快速发展，以其质量轻、强度高、自润滑性良好等优良性能，广泛应用于汽车、建筑设备、农业设备、纺织机械、包装机械等各个行业，产品直径从8mm到600 mm[15～17]，有多种不同的规格.2 纤维缠绕工艺的发展方向
随着复合材料相关技术的发展，纤维缠绕工艺呈现出多工艺复合化、热塑性树脂缠绕逐渐增多以及新型固化技术不断应用的发展趋势.
(1)拉挤成型、带铺放、带缠绕及纤维编织、压缩模塑等工艺与传统缠绕工艺相结合[17～24]，提高了缠绕工艺的适应性.纤维缠绕技术有一个明显的局限，就是沿制品轴向铺设纯纵向，即0°纤维(纤维与筒体母线夹角为0°)较为困难，限制了它在某些结构类管状制品制造中的应用[24].将纤维缠绕与带铺放工艺、拉挤工艺结合起来可解决这一问题[24].纤维铺放技术集传统缠绕技术与带铺放技术于一身，可进行任意角度缠绕，也可任意增减纤维，还可在凹形表面缠绕，克服了传统缠绕工艺的不足[23]；缠绕—拉挤工艺制造的薄壁管改善了力学性能，已用于汽车司机驾驶室框架[23]；缠绕与注射模塑结合制造的自润滑多面滑动轴承具有卓越的摩擦学行为[17]；纤维缠绕预制件与RT M技术相结合[21]扩大了纤维缠绕工艺的应用范围.
(2)热固性树脂缠绕向热塑性树脂缠绕方向发展.据统计，从1994年以来，热塑性复合材料是同期热固性复合材料增长的2倍[25].该高速增长可以用热塑性复合材料良好的机械性能、高的耐温性、良好的介电常数和良好的可循环性来解释，尤其是它的可回收、可重复利用和不污染环境的特性适应了当今材料环保的发展方向.欧美一些国家已有一些产品用于航空航天和民用，如美国用CF/PEEK缠绕制件作飞机水平面，德国用CF/FA缠绕管件制造超轻质自行车等[26].国外已有杜邦公司、帝国化学公司、BASF公司和德国凯瑟斯路登大学等多家大公司和科研机构对热塑性树脂缠绕工艺进行了研究和生产实践[27～28].国内有北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室等少数机构对热塑性预浸带进行了缠绕实验，并对制品性能进行了初步分析.可以说国内这种工艺还处在逐步开发的阶段，发展空间较大[26].
(3)出现新型固化技术及在线固化监测技术.红外加热、微波加热、火焰加热、电子束固化等技术可缩短固化周期，减少残余应力，提高复合材料力学、物理性能，降低成本[3].法国航空航天公司已对固体火箭发动机纤维缠绕壳体的电子束固化技术进行了成功演示，其综合性能优于常规的加热固化复合材料[29].此外，超声技术以及光纤传感技术等都被用于在线固化监测[3].前苏联在缠绕壳体制造中采用了在磁场中缠
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绕及固化的工艺方法[30]，可以使制品实现更为良好的固化.
3 纤维缠绕机械的发展方向
随着纤维缠绕复合材料的高速发展和广泛应用，要求纤维缠绕机械具有更高的精度、更高的生产率和更大的柔性.与此相适应，纤维缠绕机械的发展方向主要有以下几点:
(1)纤维缠绕机开始配备精密张力控制系统，以提高缠绕精度.在缠绕过程中，缠绕张力与制品的强度、疲劳性有着密切的关系，对缠绕制品的性能影响很大.哈尔滨工业大学正对微机数控纤维缠绕机精密张力控制系统进行研究[31]，法国则开发出一种用于粗纱的精密缠绕系统.
(2)多轴缠绕机得到应用.多轴缠绕机既能提高生产率，也使得缠绕形状更为复杂的产品成为可能. EnT ec公司缠绕透平机叶片的计算机控制缠绕机有11个轴[31]；在美国华盛顿州塔科马市建立的复合材料研究开发中心的多轴数控缠绕机可生产长度达4m的缠绕件，可进行多筒纤维缠绕、树脂自动分配，质量自动控制等，该中心正在研究开发飞轮组件，包括飞轮转子、飞轮外壳等.
(3)与工艺复合化发展方向相适应，缠绕机上也增加了一些辅助装置，如带铺放头、加热和压辊装置、切断装置等[31].目前已有许多公司出售热固性和热塑性纤维铺放机，并已成功用于自行车架、机
翼梁、小型船身、锥壳及飞机进气口通道等部件的制造[26].
(4)机器人与缠绕机相结合.机器人用于纤维缠绕具有自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点，尤其适合缠绕小型复杂构件，包括轴不对称和双凹面部件.美、欧及加拿大正在研究开发机器人纤维缠绕机[31]，如比利时Leuven天主教大学用一台PUM A2762机器人与两轴数控缠绕机联接，缠绕了多种零件；加拿大OT2 T AW A大学也用机器人成功缠绕了T型管；德国AACHE N工业大学建成了一个复合材料柔性制造单元，己成功生产出机床主轴、飞机机身等零件[32]; Northop’s Ventura Division也正在用机器人缠绕导管组件[28].
另外,C AD、C AM和仿真技术在纤维缠绕工艺和纤维缠绕设备中的应用日益增多[33～36]，国内外已有一些实用化的软件问世.C AD、C AM与传统缠绕工艺的结合，有助于缩短产品设计周期、减少废品率、提高制品的质量，能提高自动化水平及生产柔性.但与传统
车载厕所
C AD/C AM技术相比，纤维缠绕C AD/C AM技术的研究才刚刚起步，研究成果有限，远未达到成熟地步.
4 我国纤维缠绕技术的研究概况
我国的纤维缠绕工艺始于1958年，当时主要是为“两弹一星”国防建设服务的.从20世纪60年代中期开
始，先后围绕玻璃钢固体火箭发动机壳体、压力气瓶和电绝缘制品的研制，开展了纤维缠绕技术的研究，并研制成功链条式缠绕机.20世纪70年代引进德国WE2 250数控纤维缠绕机，改进后实现国产化生产，使纤维缠绕技术的研究上了新台阶.20世纪80年代初陆续从意大利、日本、美国引进纤维缠绕管道生产线，建立中高压玻璃钢管企业.目前纤维缠绕管道生产线已有130多条，产品广泛应用于航空航天、石油、化工、电力、矿山、供排水、污水处理等领域.国内研制与生产的玻璃钢管生产设备部分技术指标己超过国外同类设备的技术水平.国内第一套玻璃钢缠绕产品设计商用软件已于2003年初在石家庄问世，并投入使用[37].
学术上，我国涉足纤维缠绕技术研究的科研单位并不很多，主要集中在一些相关纤维缠绕厂家和少量高校研究机构，如哈尔滨玻璃钢研究所、浙江大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、濮阳明珠纤维缠绕设备技术有限公司等.
总之，我国纤维缠绕技术的研究和应用已初具规模，某些方面已接近或达到世界先进水平，基本形成比较完整的工业体系，但从总体上来看，在自主开发方面，与发达工业国家仍有较大差距[3].从缠绕技术角度来看，产品均是轴对称部件，属成熟的低档产品，而在高端产品上，如中高压缠绕弯管和T形三通管等很多工艺技术和许多新产品都无人涉足、长期空白[38].主要差距在于：高性能纤维缠绕制品所需高性能纤维的生产水平较低，严重依赖进口；国际上多于4轴的缠绕机一般被西方国家列为对我国禁运物资，目前我国的计算机控制缠绕机大部分是2、3轴机器，最高水平为4轴；国外的C AD/C
AM软件价格昂贵，而我国有自主版权的C AD/C AM软件很少或是水平很低.
5 结束语
纤维缠绕复合材料具有许多优点，如可以按受力方向进行铺层设计，能充分发挥材料的力学性能等.但是缠绕成型制品也有它自身的缺点，由于纤维间无缠结，制品呈现出积层构造，层间及平面内剪切或横向性
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第6期 谢 霞等：纤维缠绕技术的发展及研究现状
能差，故很容易产生剪切失效，进而招至制品破坏；缠绕几何对称形状的制品较容易，而对于不规则的形状
则较为不便，这些方面在一定程度上限制了纤维缠绕复合材料的更广泛应用.总之，科学技术的发展是日新月异的.我们有理由相信，随着新的纤维材料、新的树脂材料的不断问世，高性能纤维性价比的不断提高，以及复合材料技术、C AD/C AM 技术、
计算机控制技术的发展，纤维缠绕工艺及其设备将会得到不断完善，不断发展，纤维缠绕也将在更广泛的应用领域大显身手.参考文献:
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(下转第29页)
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天 津 工 业 大 学 学 报 第23卷
表3 成纱质量对比
T ab.3 Q u ality comp arison of yarns
品种纺纱方法条干C V
/%
毛羽指数C V
/%
强力
/cN
强力C V
/%
伸长率
/%
细节
按键测试机/(个·(km)-1)
粗节锡渣分离机
/(个·(km)-1)
棉结
/(个·(km)-1)
ATS(19.7)环锭纺11.48 6.43510.58.757.19049赛络纺12.41 5.76520.18.507.302817比差0.93-0.679.6-0.250.21248
G TS(29.5)环锭纺9.87 6.92815.18.218.35011赛络纺9.42 6.65834.8 5.888.520610比差-0.45-0.2719.7-2.330.17059超市手推车广告
ATS(19.5) 45/JC55环锭纺11.35 4.87342.311.23 5.641516赛络纺11.59 4.56400.07.88 5.640616比差0.24-0.3157.7-3.350.00-110
ATS(29.3) 45/JC55环锭纺9.76 6.13548.27.53 6.53024赛络纺9.18 5.79571.2 6.077.10024比差-0.58-0.3423.0-1.460.57000
ATS(29.4) 60/JC40环锭纺10.10 5.79640.07.30 6.85014赛络纺9.87 5.26684.2 6.62 6.91025比差-0.23-0.5344.2-0.680.06011
注：毛羽指数CV特指纱线上2mm长毛羽的离散值.
4 结 论
3种新型绿纤维与粘胶相比均具有高强度、高模量、高弹性、保形性好的特点，同时具有良好的可纺性和产品舒适性，其综合性能以M D为最优,G TS次之,ATS较差.3种新型绿纤维纱线性能均处于较优水平，其中综合性能以G TS为最优,M D次之,ATS较差，这主要是由纤维性能对纱线不同指标的影响所造成的.3种新型绿纤维的高、中、低支纱线其力学性能均优于普梳纯棉纱线，具有良好的开发
前景.经过本研究还可以看出，赛络纺可提高天丝纤维成纱条干均匀度、降低毛羽，可使成纱具有强力高、强力C V值降低、伸长率高的特点.这种纱线能较好地适应高速喷气织机的要求.此外，赛络纺纱具有股线效果，可以部分取代股线，又因其结构均匀、纱线光洁和强力较高，故可节约浆料，降低生产成本.
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第6期 张 毅等：提高新型绿纤维成纱质量的研究
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