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        【專題綜述】復合材料纏繞工藝全景解析-技術的過去與未來

        2024-02-28 51

        纖維纏繞工藝概述

        纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續纖維(或布帶、預浸紗)按照一定規律纏繞到芯模上,然后經固化、脫模,獲得制品。根據纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態不同,分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種?!?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; visibility: visible;"/>

        干法纏繞是采用經過預浸膠處理的預浸紗或帶,在纏繞機上經加熱軟化至粘流態后纏繞到芯模上。由于預浸紗(或帶)是專業生產,能嚴格控制樹脂含量(精確到2%以內)和預浸紗質量。因此,干法纏繞能夠準確地控制產品質量。干法纏繞工藝的最大特點是生產效率高,纏繞速度可達100~200m/min,纏繞機清潔,勞動衛生條件好,產品質量高。其缺點是纏繞設備貴,需要增加預浸紗制造設備,故投資較大。此外,干法纏繞制品的層間剪切強度較低。

        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。濕法纏繞的優點為:①成本比干法纏繞低40%;②產品氣密性好,因為纏繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出,并填滿空隙;③纖維排列平行度好;④濕法纏繞時,纖維上的樹脂膠液,可減少纖維磨損;⑤生產效率高(達200m/min)。濕法纏繞的缺點為:①樹脂浪費大,操作環境差;②含膠量及成品質量不易控制;③可供濕法纏繞的樹脂品種較少。

        半干法纏繞是纖維浸膠后,到纏繞至芯模的途中,增加一套烘干設備,將浸膠紗中的溶劑除去,與干法相比,省卻了預浸膠工序和設備;與濕法相比,可使制品中的氣泡含量降低。

        三種纏繞方法中,以濕法纏繞應用最為普遍;干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術領域。

        02


        纖維纏繞工藝發展現狀

        纏繞管道工藝是增強樹脂成型工藝中,實現全自動化、生產率較高、原材料利用率高、制品成本較低的優秀工藝。因而其具有廣闊的發展前景。此章節將近幾十年拉擠成型工藝纏繞管道工藝進展及設備進行闡述。

        從國內發展情況看,1946 年,首個纖維纏繞技術專利在美國注冊,纖維纏繞成型工藝開始發展。按實現形成螺旋線的主運動方式,所用的纏繞機的布局類型在20世紀60年代已基本完成,具體如下圖所示。

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        圖 螺旋纏繞

        1965 年,北京 251 廠設計了我國首臺臥式纖維纏繞機“525”,該纏繞機于 2011 年“退休”。1966 年,設計了齒鏈式機械無級調節纏繞規律的環鏈臥式纖維纏繞機,此機不用掛輪,可便捷地調節纏繞規律與排紗密度,生產了多種規格的氣瓶。從結構布局考慮,對生產15 L 及其以下氣瓶用的鏈條式纏繞機采取鏈傳動垂直面布置;生產 20 L 及其以上氣瓶用的鏈條式纏繞機采取鏈傳動水平面布置,其鏈輪由前者的兩只變為四只。

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        圖 基本臥式纖維纏繞機

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        圖 無級調節纏繞規律的環鏈臥式纖維纏繞機傳動系統

        (北京251廠)

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        圖 “525”我國第一臺環鏈臥式纖維纏繞機(北京251廠)

        1966年,國家紡織工業部下達大型立式纖維纏繞機項目,七機部43所、中國紡織科學研究院、北京251廠、太原重型機械廠、陜西重型機械廠共五家單位參加。該項目于次年完成,迄今仍在使用。1984年,北京電力設備總廠引進了加拿大立式纏繞機。

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        圖 立式繞臂纖維纏繞機

        1974年,北京251廠成功研制X2型行星式纖維纏繞機,傳動系統中采用了三軸同心行星原理。

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        圖 行星式纖維纏繞機(北京251廠)

        20世紀90年代起,囯內一些大學和企業紛紛開展了MCFW和機器人纏繞機研發,如哈爾濱玻璃鋼研究院、武漢理工大學、哈爾濱工業大學、中船625所、武漢九迪復合材料公司、哈爾濱理工大學、南京航空航天大學及其合作之上海萬格公司、蘇州中科時代電子技術公司、衡水華成公司、連云港中通公司、連云港唯德公司、石家莊萊德公司、湖南江南四棱數控機械有限公司、臺灣省工業研究院、臺灣省金財興公司等。2000年,筆者曾訪問位于新竹的工業研究院,得知其已成功研發了7軸纏繞機。幾年前我國海關已明令,我國四軸以上纏繞機限制出口,撫今追昔,筆者深為我國進步而自豪!

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        圖 微機控制7軸4聯動雙小車重型纏繞機

        (武漢理工大學)

        微機控制纖維纏繞張力的紗架已在國內外推廣,21世紀初蘇州中科時代開發成功,北京251廠實用最早(2004)。武工大、哈工大、江南四棱數控等單位現也已投入使用。

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        圖 蘇州中科時代公司開發的微機控制纖維纏繞張力的紗架及纏繞機

        2014年,上海萬格復合材料技術公司綜合五家德國公司和三家國內公司技術,成功開發機器人纖維纏繞氣瓶自動生產線,已出口日本。臺灣省購其10工位纏繞設備,生產的液化氣罐已獲德國認證。

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        圖 國產纖維纏繞氣瓶自動生產線(上海萬格公司)

        2010年,上海引進意大利VEM公司連續管生產線投產。2016 年,新疆永昌公司引進英國 Tech-no?bll 公司連續管生產線。近年連云港、重慶推出了相同原理的生產線。青島曾開發無凸輪的鋼帶式連續管機。國內設備開發中的經驗教訓是,要重視工藝及其軟件,設備運行要穩定,忌鋼帶打滑與重疊。泉州福建路通管業科技股份有限公司引進歐洲技術制造了凸輪鋼帶式連續管生產線,生產直徑最大達4 m。

        河北省景縣恒安泰公司即采用美國Fiberspar連續管道生產工藝,其承擔的國家十二五863科技項目——柔性海底管道關鍵技術研究,于2016年通過國家科技部組織的專家驗收。其連續管道生產線。

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        圖 河北省景縣恒安泰公司連續管道生產線

        2020年,重慶慶陽控股(集團)有限公司/河南省沁陽市復合材料研究院與濮陽縣福瑞普建材公司分別成功研制直徑為 10 mm~250 mm高效連續纏繞玻璃鋼管生產線。此線無鋼帶建模,在簡捷的設備上,低成本高效率完成玻璃鋼管道的連續成型,其生產速度可以達到 2 m/min。其訣竅系牽引履帶機公轉自轉同步進行。韓國亦有此類似設備。小直徑非鋼帶連續纏繞玻璃鋼管生產線及其牽引部件見圖。

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        圖 小直徑非鋼帶連續纏繞玻璃鋼管生產線

        從國外發展情況看,FW)發展甚快。知名廠家有美國安德遜公司、哥德華賽工程公司(Goldsworthy Engineering)、工程技術公司(Entec-Engineering Technology)、德囯百事得(BSD)公司、華特與威瑟(Waltritisch & Wachter)公司等?,F在國際市場上的纏繞機已達到六軸。

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        圖 美國安德遜公司微機控制6軸纖維纏繞機動作

        2004年創立的法國 MFTech 公司最早研究機器人纏繞并將其商業化,由該公司提供的機器人纏繞設備充分利用了機器人的柔性,可采用抓取模具和帶動導絲頭兩種方式進行纏繞成型。


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        圖  MFTech機器人纏繞

        美國Fiberspar公司于1999年開始商業化生產連續纏繞柔性管,據稱是當今全球業界的領導者。其生產工藝是:擠出高密度聚乙烯或交聯聚乙烯熱塑性塑料內襯層(壓力防滲漏層)-多次環向纏繞玻纖環氧層(結構層)-外包覆熱塑性塑料層(耐磨層)。整個生產線全部自動控制,由14臺纏繞機、牽引機、固化爐、收卷裝置以及兩臺擠出機等組成。在塑料管上纖維纏繞玻璃鋼后在線擠出外塑料保護層,制成管線。生產速度取決于管徑,一般為2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管線連續生產長度可達10800 m,理論上可以達無限長度。

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        圖 美國Fiberspar連續管道生產線

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        纖維纏繞工藝應用領域


        在能源化工及交通領域的應用

        纏繞制品在民用領域的主要應用包括:復合材料壓力管道、儲罐、壓力容器、呼吸氣瓶及天然氣氣瓶、風機葉片、塔桿、電線桿、絕緣子、體育休閑用品、工業用傳動軸、各種輥筒等。

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        圖 壓力容器、氣瓶、膜殼

        汽車作為現代產業在科技的帶動下快速發展,隨著汽車復合材料應用水平的不斷提高,復合材料單車用量將逐漸增加,2015年我國汽車工業所需塑料、復合材料總量約為 165 萬 t。隨著成型技術和裝備的不斷發展,復合材料汽車零部件在汽車領域的應用將日益擴大。為了提高汽車輕質、高強的性能,復合材料逐漸取代傳統汽車制造應用材料,纏繞技術在汽車制造上的主要應用為傳動軸、排氣管、渦輪增壓管、車載氣瓶、吸能器、保險杠等。

        海洋船舶領域對復合材料需求最多的是復合材料管道,纏繞成型的復合材料管道因具有耐腐蝕、耐油、耐高溫等特性被廣泛應用于海上油氣運輸、海洋平臺及船舶等領域。除此之外,還有疏浚管道、海底輸油軟管、潛艇耐壓殼體、深海探測器、潛水呼吸氣瓶、船桅桿等應用。

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        圖 海上管道及管纜

        油氣工程領域的應用可分為陸地及海上的應用,主要為油氣運輸管道和疏浚管道。復合材料管道由于具有超強的耐腐蝕性,正在逐步取代傳統鋼制管道,并在實際工程中得到廣泛的應用。

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        圖 陸地油氣管道、海洋油氣管道

        在航空航天及軍工領域的應用

        飛機復合材料構件的自動化成型工藝主要包括纖維絲纏繞、纖維帶纏繞和纖維絲鋪放三種類型。由于纏繞制品的高強度、耐高溫、耐腐蝕等性能,目前纏繞制品在航空領域可用于雷達罩、發動機機匣、燃料儲箱、飛機副油箱和過濾器等零部件的成型,還可應用于小型飛機與直升機機身、機翼、槳葉、起落架等結構的成型?,F代大型噴氣客機上眾多的高壓氣瓶都是采用復合材料纏繞成型工藝制造的。

        在航天領域,纏繞成型技術主要應用于神舟飛船承力構件、衛星結構、返回艙、空間系統、復合材料壓力容器、固體火箭發動機殼體等方面的制造。在國防軍工領域,纏繞成型技術主要應用于大型導彈復合材料發射筒、魚雷發射管、姿控系統、槍架、火箭發射筒、軌道炮身管等。

        先進復合材料的纏繞、鋪放成型是固體火箭發動機殼體,大飛機機身、機翼,風電葉片等核心部件的關鍵制造技術,對我國重大項目的實施和航空航天事業的發展有著舉足輕重的作用。多年來,我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術一直面臨“卡脖子”難題,2022年4月2日,由星火機床集團公司聯合武漢理工大學研發的國家重點項目,多軸聯動復合材料數控纏繞設備正式交付委托方。由此,長期依賴國外的復合材料纏繞設備“卡脖子”難題得以徹底解決,星火機床集團公司也全面實現了關鍵核心技術自主可控的重大突破。

        復合材料作為一種先進材料,具有非常廣闊的發展空間。先進復合材料具有質量輕、比強度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優點,被廣泛應用到航空航天、國防裝備及能源開發等領域,并推動了相關工業領域的快速發展。復合材料的廣泛應用,在很大程度上取決于復合材料的成型工藝。其中,纏繞和鋪放技術是近年來發展快、有效的技術。

        纏繞技術是指在控制張力和預定線型的條件下,將預浸膠纖維或布帶連續地纏繞在相應于制品內腔尺寸的芯?;騼纫r上,然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。

        帶纏繞成型技術隨著計算機技術、信息技術、控制技術的發展,在功能方面不斷擴大。從國外來看,美國已將帶纏繞成型工藝應用于型號研制:MD-2 固體火箭發動機噴管部件中的 13 個零件,“侏儒”導彈的發動機噴管都是通過纏繞成型;歐洲、日本也在航天器、武器研制等領域廣泛地應用帶纏繞成型工藝:歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管,法國 M51 導彈的殼體,日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復合材料。

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        圖 纏繞成型中的 M51 導彈殼體

        在國內,我國自60年代就開始研制復合材料纏繞設備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設計院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及華中科技大學等單位先后研制出不同的復合材料纏繞成型設備。西工大通過自主研發的多功能布帶數控纏繞機,工作效率高,纏繞出的制品達到型號工藝要求,成為能夠滿足高性能發動機噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關鍵配套設備。但是,上述纏繞成型設備基本上都是針對型面規則的回轉體零件研制開發的,對于諸如大飛機的機翼、機身、風電葉片等大型非規則復雜結構件無法實現纏繞成型。

        隨著復合材料相關技術的發展,帶纏繞、鋪放成型技術呈現出多工藝復合化、成型設備精密化、CAD/CAM技術應用日益增多、成型設備與機器人結合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術不斷應用的發展趨勢。經過 40 余年的研究與發展,我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術的研究和應用已初具規模,但仍然面臨著國外技術的嚴密封鎖與技術儲備的嚴重不足。由星火機床集團公司聯合武漢理工大學研發的多軸聯動復合材料數控纏繞設備正式交付委托方。由此,長期依賴國外的復合材料纏繞設備“卡脖子”難題得以徹底解決。

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        圖 多軸聯動復合材料數控纏繞設備

        這次交付用戶的設備是國家重點項目關鍵設備,是集新工藝、新材料制造技術、自動控制技術等為一體的智能化高新技術產品,能夠完成各種非金屬玻璃纖維、碳纖維復合材料產品的筒形、球形、錐形等形狀的纏繞加工生產。該設備主要有自動化程度高、精度高、可靠性強等特點,突破了國內很多的技術瓶頸,解決了國內(技術)卡脖子問題,填補了國內空白。

        04


        纏繞工藝未來發展方向

        生物基“以竹代塑”

        竹纏繞復合材料,以水溶性氨基類樹脂為膠黏劑,采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料,屬于新型生物基材料。竹纏繞技術,打破了數千年來人類對于竹子的應用形成的固有認識,開啟了傳統竹產業變革的新征程。竹纏繞復合材料技術可以廣泛應用于市政、水利、建筑、交通、石油化工、海洋、航天、國防建設等多個領域,對于國民經濟發展具有重要作用。

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        圖 國際竹藤中心與浙江鑫宙竹基復合材料科技有限公司研發的竹纏繞產品

        高精度多軸纖維纏繞

        高精度多軸纖維纏繞生產線是生產制作高精度、高強度等高性能纖維纏繞制品的生產線,主要由纏繞機軌道或門架、驅動床頭、床尾、纏繞小車、浸膠系統、導絲嘴翻轉裝置、伸臂進給裝置及紗架、電子氣動伺服張力控制系統、加熱裝置、PLC控制系統和電氣控制系統及安全防護系統等部分組成。能滿足各種樹脂和纖維體系的球體、錐體、圓柱體、(半)橢球體、矩形體以及組合體等軸對稱結構件纏繞制品的制作。適用于對產品性能要求較高的運輸及航空航天領域。

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        圖 多軸纖維纏繞機 COMET

        碳纖維連續纏繞

        碳纖維,因其出色的性能,逐漸成為氫氣瓶制造的主流材料。然而,早期在國內,由于70 MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術不成熟和規?;a難度大,造成了較高的制備成本,限制了這一技術的廣泛應用。但隨著技術的持續發展和生產規模的擴大,成本逐漸降低,這為氫氣瓶的進一步普及和應用奠定了基礎。

        在氫氣瓶的技術進化中,Ⅲ型和Ⅳ型氣瓶標志著一個重要的轉變。這兩種類型的氣瓶主要由內膽和纖維纏繞層組成,采用了先進的復合材料技術。內膽通常由金屬或其他材料制成,而外圍則由碳纖維、玻璃纖維等高強度纖維復合材料纏繞而成,顯著提高了氣瓶的承壓能力和安全性。

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        圖 IV型700bar高壓儲氫瓶-Carbon4 Tank

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        參考文獻


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        此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于中國環境科學院清潔生產與循環經濟研究中心。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。



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