纤维缠绕成型工艺是在纤维张力和预定成型控制条件下，将浸过树脂胶液的连续纤维（或布、预浸纱）按照一定的规律缠绕到芯模或内衬上，然后经固化、脱模、获得一定形状的制品。

 

 

    （1）纤维缠绕成型工艺及分类   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，其工艺流程如下：

    ①干法缠绕   干法缠绕是采用经过预浸胶处理（树脂处于B阶段）的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至黏流态后缠绕到芯摸上。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。

    ②湿法缠绕   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：a.成本比干法缠绕低40%；b.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；c.纤维排列平行度好；d.湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；e.生产效率高（达200m/min）。

    湿法缠绕的缺点为：a.树脂浪费大，操作环境差；b.含胶量及成品质量不易控制；c.可供湿法缠绕的树脂品种较少。

    ③半干法缠绕   半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至模芯的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去。与干法相比，省去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，以湿法缠绕应用最普遍，干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。

    （2）纤维缠绕成型的特点

    ①纤维缠绕成型的优点  a.能够按产品的受力状况设计缠绕规律，能充分发挥纤维的强度；b.比强度高，一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，质量可减轻40%～60%；c.可靠性高，纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定，精确；d.生产效率高，采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；e.成本低，在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和内衬），使其再复合，达到最佳的技术经济效果。

    ②缠绕成型的缺点  a.缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空；b.缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较高的技术经济效益。

    （3）缠绕成型技术的发展现状

    ①缠绕成型技术发展现状   自1946年美国发明用连续纤维缠绕成型压力容器方法以来，缠绕成型工艺得到不断的完善和发展。就全世界而言，缠绕成型工艺生产的复合材料制品，已占世界复合材料总产量的8%左右。我国在1962～1963年总结出纤维缠绕规律，设计出可缠制各种压力容器的链条式缠绕机，揭开了我国缠绕成型’技术的历史。此后，由德国引进大型数控缠绕机，生产火箭发动机壳体和6m长、2m直径的玻璃钢贮罐。进入20世纪80年代，先后从意大利、美国、日本等引进了自动化程度较高的微机控制缠绕机，可以生产直径4m、长15m以内的管、罐，引进的现场缠绕机，经研究改造后，可以缠20m直径的立式贮罐。与此同时，我国自行设计制造的机械式缠绕机，微机控制自动化程度很高的大型缠绕机和连续缠管机都相继问世，其技术水平在某些地方超过国外进口设备，现已进入国际市场。

    ②纤维缠绕制品开发应用   纤维缠绕制品的开发应用，分为军工和民用两个方面。

    a.军工和空间技术应用   应用于军工和空间技术方面的复合材料缠绕制品，要求精密、可靠、质量轻及经济等，纤维缠绕制品在航空、航天及军工方面的应用实例有：固体火箭发动机壳体；固体火箭发动机烧蚀衬套；火箭发射筒；鱼雷仪器舱；飞机机头雷达罩；氧气瓶（机载）；直升机的旋翼；高速分离器转筒；天线杆、点火器，波导管；导弹连接裙；航天飞机的机械臂等。

    在这些产品中，最具代表性的是火箭发动机壳体，例如美国北极星A导弹一、二级发动机壳体，我国长征二号火箭发动机壳体，均用纤维缠绕玻璃钢取代合金钢，质量减轻45%，射程由1600km增加到4000km，生产周期缩短了1/3，成本大幅降低，仅为钛合金的1/10。

    b.民品方面应用   在民晶方面，纤维缠绕制品的优点，主要表现在轻质高强、防腐、耐久、实用、经济等方面，已开发应用的产品有：高压气瓶（煤气、氧气）；输水工程，防腐管道及配件；各种尺寸和性能贮罐；电机绑环及护环；风机叶片；跳高运动员用的撑杆、船桅杆，电线杆；贮能飞轮；汽车板簧及传动轴；纺织机剑杆，绕丝筒；羽毛球及网球球拍；防波浮筒；磁选机筒等。

    最具代表性的民用缠绕制品是玻璃钢管、罐。它具有一系列优点：耐化学腐蚀；摩擦阻力小，可降低能耗30%左右；质量轻，为同口径钢管质量的1/3～1/5；能生产2～4m大口径管（而球墨铸铁管的最大口径为1m）；施工安装费用比钢管低15%～50%；中国生产的直径15～20m，容积1000m³以上的大型立式贮罐，已在工程实际应用，性能良好。

 

 

    （1）原材料   缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料。

    ①增强材料缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。

    选择增强材料时，应注意以下问题。

    a.性能和价格   碳纤维、芳纶纤维，高强度、高模量玻璃纤维，其性能优异，强度大、刚性好，碳纤维和芳纶纤维的质量小，但这些纤维价格贵，常用于航空、航天及体育用品等方面。一般民用产品则多采用普通玻璃纤维。为了充分发挥不同增强材料的特性和降低成本，也可以采用两种以上纤维进行缠绕。如螺旋缠绕采用碳纤维，环向缠绕采用玻璃纤维，这样可以提高缠绕制品的纵向刚度，同时也能降低成本。

    b.满足制品的性能要求   无碱纤维耐水性、电性能好，适用于电器、绝缘制品。中碱纤维价格比无碱纤维价格便宜30%以上，耐酸性能优越，应大力推广。

    c.浸透性和粘接性   不论是碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维，用于缠绕成型时，都应进行表面处理，保证与树脂有较好的浸透性和粘接性。

    d.张力   无捻粗纱各股纱的张力均匀，不起毛，不断头，成带性好。

    ②树脂基体   树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。缠绕制品的耐热性，耐化学腐蚀性及耐自然老化性主要取决于树脂性能，同时对工艺性、力学性能也有很大影响。

    其基本要求如下：

    a.适用期要长，为了保证能顺利的完成缠绕过程，胶液的凝胶时间应大于4h；

    b.树脂胶液的流动性是保证纤维被浸透，含胶量均匀和纱片中气泡被排出的必要条件，缠绕成型胶液的黏度应控制在0.35～1.0Pa·s；

    c.树脂基体的断裂伸长率应和增强材料相匹配，不能太小；

    d.树脂胶液在缠绕过程中毒性要小，固化后的收缩率要低；

    e.来源充足，价格便宜。

    ③填料   种类很多，加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收缩率等。在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度和降低成本等。在生产大口径地埋管道时，常加入30%石英砂，借以提高产品的刚性和降低成本。

    为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁和表面活性处理。

    （2）芯模   成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。

    ①芯模设计的基本要求

    a.要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；

    b.能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；

    c.保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；

    d.制造简单，造价便宜，取材方便。

    ②芯模材料   缠绕成型芯模材料分两类：（a）熔、溶性材料；（b）组装式材料。

    a.熔、溶性芯模材料石蜡、水溶性聚乙烯醇型砂、低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通人热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用。

    b.组装式芯模材料和内衬材料组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。

    （a）金属芯模一般设计成可拆式结构，制品固化后，从开口处将芯模拆散取出，重复使用。钢、铝和夹层结构芯模，可重复使用，适合于批量产品生产。

    （b）石膏、木材材料来源广，价格低，制造和脱模比较方便。石膏芯模是一次性使用，不能回收。小型产品可用实心芯模，大型制品，则与木材等制成组装空心芯模。

    （c）内衬材料是制品中的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。

    ③芯模结构形式

    a.石膏隔板式组合结构芯模石膏芯模是一次性使用品，它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝管及石膏面层组成，也可以用铝金属型块组合封头代替石膏封头（见图3-8）。这种芯模的特点为：制作简单，成本低，拆除方便，这种芯模最适用于精度要求高的大、中型单件或少件制品，其尺寸精度可达1mm以内。

 

 

    b.管道芯模   分为整体式和开缩式两种，整体式芯模（见图3-9），适用于直径小于800mm的玻璃钢管生产，整体式芯模是用钢板卷焊而成，也可以用无缝钢管加工制造。为了脱模方便，整体式芯模表面要经过打磨、抛光，芯模沿长度方向要在大于1/1000锥度。

    大于800mm直径的管芯模，采用开缩式芯模如图3-10所示，芯模壳体由经过酸洗的优质钢板卷成，表面经过抛光、打磨，具有高精度和高光洁度。芯模中心轴，沿轴长度方向，每隔一定距离有一组可伸缩式辐条机构支撑的轮状环，用于支撑芯模外壳。脱模时，通过液压机械装置，使芯模收缩从固化制品中脱下来。再用时，将芯模恢复到原始尺寸。为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的时间，在缠管机上增设多轴芯模装置（见图3-11），它是一个圆盘回转架，架上可同时装3～6根相同或不同直径的芯模。回转架使每根芯模依次置于缠绕工位进行缠绕，在回转架底座旁边有一个液压动力升降机，将缠好的管正确的放在脱模机上脱模。这种装置能提高生产率3～6倍。

 

 

    c.贮罐芯模   一般由封头和罐身组成。可分别制成封头和罐身构件，然后再胶粘成整体。通常罐身用缠绕成型，封头用手糊或喷射成型。也可以将预制的封头和罐身粘成芯模，然后再整体缠绕。

    ④内衬   缠绕制品气密性差，因此在生产高压容器或航空氧气瓶时，必须要用致密材料做内衬来保证。

    a.内衬材料的要求   （a）内衬材料的致密性要高，不透水，不透气，密度尽量小；（b）根据容器的使用条件，内衬材料应具有防腐蚀或耐高温低温性能等；（c）与缠绕结构层有相同的断裂延伸率和膨胀系数，能共同承受载荷；（d）能与缠绕结构层牢固地粘接在一起，耐疲劳、不分层；（e）材料易获得，价格便宜。

    目前用作内衬的材料有铝、不锈钢、橡胶和塑料等。

    b.常用的几种内衬材料

    （a）铝、不锈钢内衬。铝内衬气密性高，缠绕过程中能够起到芯模作用，成型后铝内衬不再由制品中取出。铝内衬在缠绕和固化过程中变形小与缠绕玻璃钢的结构层相容性好，已成功用于各种高压气瓶生产，能保证制品耐疲劳寿命2000次以上。铝内衬的缺点是焊接技术要求高、制造复杂、不耐腐蚀等，不锈钢内衬耐腐蚀，但密度大，两种金属内衬制造都比较复杂。

    （b）塑料、橡胶内衬。这类材料内衬气密性好，耐化学腐蚀，制造工艺简单，成本低，有弹性等。橡胶内衬属弹性材料，无刚度，不能满足缠绕成型过程中的芯模承载作用，必须加支承结构。塑料内衬材料有尼龙6、ABS、聚氯乙烯、聚乙烯等，这类材料气密性好，耐化学腐蚀，制造简单，有一定的强度和刚性，可起到内衬和芯模作用，成本低。其缺点是耐温（高、低温）性差，选用时必须考虑到制品固化温度和塑料内衬相适应。