复合材料缠绕成型工艺PPT课件

1、复合材料加工制备工艺 缠绕成型 定义：定义：将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照 一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑 料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。适合中空制品。料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。适合中空制品。 加工工艺流程 立式缠绕机立式缠绕机 卧式缠绕机卧式缠绕机 卧式缠绕机卧式缠绕机 玻璃钢玻璃钢.高压储气罐高压储气罐/碳纤维球碳纤维球 6.5.1 6.5.1 概述概述 6.5.1.1 6.5.1.1 纤维缠绕工艺的分类纤维缠绕工艺的分类 1 1）干法缠绕干法缠绕 2 2）湿法缠绕湿法缠绕 3 3）

2、半干法缠绕半干法缠绕 干法缠绕干法缠绕 预浸纱带（或预浸布带），在缠绕机上经预浸纱带（或预浸布带），在缠绕机上经 加热软化至粘流后缠绕到芯模上。干法缠加热软化至粘流后缠绕到芯模上。干法缠 绕制品质量较稳定，并可大大提高缠绕速绕制品质量较稳定，并可大大提高缠绕速 度，可达到度，可达到100m100mminmin200m200mminmin。缠绕。缠绕 设备清洁劳动卫生条件较好。设备清洁劳动卫生条件较好。 湿法缠绕湿法缠绕 将无捻粗纱（或布带）浸渍树脂胶液后直将无捻粗纱（或布带）浸渍树脂胶液后直 接缠绕到芯模上。此法无须另行配置浸渍接缠绕到芯模上。此法无须另行配置浸渍 设备。对材料要求不严，便于选

3、材，故比设备。对材料要求不严，便于选材，故比 较经济纱片质量及缠绕过程中张力不易控较经济纱片质量及缠绕过程中张力不易控 制制 。 半干法缠绕半干法缠绕 将无捻粗纱（或布带）浸渍树脂胶液，预将无捻粗纱（或布带）浸渍树脂胶液，预 烘后随即缠绕到芯模上。烘后随即缠绕到芯模上。 6.5.1.2 6.5.1.2 缠绕增强塑料制品的特点缠绕增强塑料制品的特点 （1 1）比强度高）比强度高 FWRPFWRP的比强度的比强度3 3倍于钛，倍于钛，4 4倍倍 于钢于钢 （2 2）可靠性高）可靠性高 纤维缠绕复合材料制品基本纤维缠绕复合材料制品基本 解决解决了金属韧性随强度的提高而降低了金属韧性随强度的提高而降低

4、这一这一 矛盾。矛盾。 （3 3）材料成本低）材料成本低 所用增强材料，大多是所用增强材料，大多是 无捻粗纱等连续纤维，减少了纺织和其它无捻粗纱等连续纤维，减少了纺织和其它 加工费用。加工费用。 6.5.1.3 6.5.1.3 缠绕增强塑料制品的应用缠绕增强塑料制品的应用 用于石油和气体、化学工业和水废水用于石油和气体、化学工业和水废水 处理的管、罐类处理的管、罐类 管和筒等配件管和筒等配件 飞机机体飞机机体 气压瓶气压瓶 机动车片簧机动车片簧 飞机机翼油箱飞机机翼油箱 帆船桅杆帆船桅杆 火箭发动机和筒壳火箭发动机和筒壳 网球拍框架网球拍框架 枪炮筒枪炮筒 铁路中罐机铁路中罐机 机动车驱动轴机

5、动车驱动轴 烟囱烟囱 6.5.16.5.1组成组成 原料 设备 芯模 6.5.1.4 6.5.1.4 原料原料 （1 1）增强材料）增强材料 玻璃纤维玻璃纤维 应用最广、量最大，主要为无碱、应用最广、量最大，主要为无碱、 中碱无捻粗纱，也有碳纤维和芳纶。中碱无捻粗纱，也有碳纤维和芳纶。 要求：强度、浸润性和粘附性要求：强度、浸润性和粘附性 、各股纤维、各股纤维 张力均匀张力均匀 、成带性好，不起毛，不断头、成带性好，不起毛，不断头 。 （2 2）树脂基体）树脂基体 要求：工艺性好要求：工艺性好 、树脂基体的断裂伸长率与增、树脂基体的断裂伸长率与增 强材料相匹配、固化收缩率低和毒性刺激性小、强材

6、料相匹配、固化收缩率低和毒性刺激性小、 来源广价格低。来源广价格低。 常温使用的内压容器，一般采用双酚常温使用的内压容器，一般采用双酚A A型环氧树型环氧树 脂；脂； 高温使用的容器采用酚醛型环氧或脂肪族环氧树高温使用的容器采用酚醛型环氧或脂肪族环氧树 脂；脂； 一般管道和贮罐多采用不饱和聚酯树脂；一般管道和贮罐多采用不饱和聚酯树脂； 航空航天制品采用具有突出断裂韧性与耐湿热性航空航天制品采用具有突出断裂韧性与耐湿热性 能的双马来酰亚胺树脂能的双马来酰亚胺树脂 。 6.5.1.5 6.5.1.5 设备设备 最简单的形式是机器可被形容成一台机床。最简单的形式是机器可被形容成一台机床。 在心轴旋转

7、的同时，增强材料以特定的几何卷在心轴旋转的同时，增强材料以特定的几何卷 绕型式缠绕上去，增强材料起始部分和心轴都绕型式缠绕上去，增强材料起始部分和心轴都 可往复运动。可往复运动。 连续卷绕机连续卷绕机 不旋转的连杆心轴穿过卷绕点。不旋转的连杆心轴穿过卷绕点。 极性卷绕机极性卷绕机 心轴在两个轴上旋转，产生封闭心轴在两个轴上旋转，产生封闭 的圆柱或球。的圆柱或球。 连续卷绕机组连续卷绕机组 增固剂和树脂用于旋转的可移增固剂和树脂用于旋转的可移 动的心轴上，产生连续的管状产品。动的心轴上，产生连续的管状产品。 编织卷绕机编织卷绕机 不旋转的连杆心轴穿过一个转动不旋转的连杆心轴穿过一个转动 的编织环

8、。的编织环。 6.5.2 6.5.2 芯芯 模模 6.5.2.1 6.5.2.1 常用芯模材料常用芯模材料 石膏、钢、铝、低熔点金属和低熔点石膏、钢、铝、低熔点金属和低熔点 盐类（此两种材料国外较多用。制造芯盐类（此两种材料国外较多用。制造芯 模时将其熔化浇铸成壳体，脱模时加入模时将其熔化浇铸成壳体，脱模时加入 热水搅拌溶解或用蒸气熔化）、木材、热水搅拌溶解或用蒸气熔化）、木材、 水泥、石蜡、聚乙烯醇、塑料等。水泥、石蜡、聚乙烯醇、塑料等。 芯模材料的膨胀系数将影响制品固化后芯模材料的膨胀系数将影响制品固化后 的制品的力学性能及尺寸精度的制品的力学性能及尺寸精度 6.5.2.2 6.5.2.2

9、 选择和使用芯模材料时选择和使用芯模材料时 注意的问题注意的问题 1 1）选定芯模材料应根据制品的）选定芯模材料应根据制品的生产批量、尺寸形生产批量、尺寸形 状及性能要求来确定。状及性能要求来确定。 2 2）芯模材料既不为树脂腐蚀，更重要是不能影响）芯模材料既不为树脂腐蚀，更重要是不能影响 树脂系统固化。树脂系统固化。 3 3）多孔性材料有吸湿性，多孔性材料有吸湿性，使用前必须处理使用前必须处理 4 4）为保证缠绕制品尺寸均匀，）为保证缠绕制品尺寸均匀，芯模材料的成分亦芯模材料的成分亦 应均匀应均匀。 6.5.2.3 6.5.2.3 芯模的结构形式芯模的结构形式 1 1） 实心或空心整体式芯模

10、实心或空心整体式芯模 采用容易破碎的材料；可溶或易熔盐类，将其熔化，采用容易破碎的材料；可溶或易熔盐类，将其熔化， 用铸造法烧铸成壳体用铸造法烧铸成壳体 。 2 2） 组合装配式芯模组合装配式芯模 有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式等有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式等 3 3） 芯模设计芯模设计 （1 1）基本要求）基本要求 a.a.能够承受缠绕过程的工作荷载、自重能够承受缠绕过程的工作荷载、自重 及加工时的机械荷载。及加工时的机械荷载。 b.b.具有一定刚度，在使用期间保持合乎具有一定刚度，在使用期间保持合乎 要求的尺寸。要求的尺寸。 c.c.能经受固化温度的作用。能经受固化温度的作用

11、。 d.d.易于脱模易于脱模 (2) (2) 芯模设计的内容芯模设计的内容 根据制品批量、尺寸、固化温度、根据制品批量、尺寸、固化温度、 生产周期、工作荷载、树脂收缩等因素生产周期、工作荷载、树脂收缩等因素 进行进行 a.a.芯模材料及结构形式芯模材料及结构形式 b.b.脱模方法及程序的制定脱模方法及程序的制定 c.c.总体结构及零部件的设计，包括刚总体结构及零部件的设计，包括刚 度、强度设计计算度、强度设计计算 d.d.芯模制造的技术经济指标分析芯模制造的技术经济指标分析 6.5.3 6.5.3 缠绕规律缠绕规律 纤维缠绕工艺主要是制造压力容器和管道。纤维缠绕工艺主要是制造压力容器和管道。

12、虽然容器形状规格繁多，缠绕型式也千变万化，虽然容器形状规格繁多，缠绕型式也千变万化， 但是，但是，任何型式的缠绕都是由导丝头（亦称绕任何型式的缠绕都是由导丝头（亦称绕 丝嘴）和芯模的相对运动实现的。丝嘴）和芯模的相对运动实现的。必须满足如必须满足如 下两点要求。下两点要求。 1 1）纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯）纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯 模表面。模表面。 2 2）纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。）纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。 缠绕规律缠绕规律 是描述纱片均匀稳定连续排布芯模是描述纱片均匀稳定连续排布芯模 表面以及芯模与导丝头间运动关系的规律表面以及芯模与导丝头间运动关系

13、的规律 缠绕线型类别缠绕线型类别（1 1）环向缠绕）环向缠绕 芯模绕自轴匀速转动，导丝头在筒身区间作平芯模绕自轴匀速转动，导丝头在筒身区间作平 行于轴线方向运动。芯模转一周，导丝头移动行于轴线方向运动。芯模转一周，导丝头移动 一个纱片宽度（近似），如此循环一个纱片宽度（近似），如此循环 。 （2 2）螺旋缠绕）螺旋缠绕 芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿 芯模轴线方向往复运动。芯模轴线方向往复运动。纤维缠绕不仅在圆筒纤维缠绕不仅在圆筒 段进行，而且也在封头上进行。段进行，而且也在封头上进行。 （3 3）纵向缠绕）纵向缠绕 （平面缠绕）（平面缠绕） 导丝

14、头在固定平面内作匀速圆周运动，芯模绕自轴导丝头在固定平面内作匀速圆周运动，芯模绕自轴 慢速旋转。导丝头转一周，芯模转动一个微小角度，慢速旋转。导丝头转一周，芯模转动一个微小角度， 反映在芯模表面为近似一个纱片宽度。反映在芯模表面为近似一个纱片宽度。 6.5.4 6.5.4 缠绕工艺设计缠绕工艺设计 缠绕工艺设计包含下述内容：缠绕工艺设计包含下述内容： （1 1）根据产品使用和设计要求、技术质）根据产品使用和设计要求、技术质 量指标，进行量指标，进行结构造型、缠绕线型结构造型、缠绕线型和和芯模芯模设计。设计。 （2 2）选择）选择原材料原材料。 （3 3）根据产品强度要求、原材料性能及）根据产品

15、强度要求、原材料性能及 缠绕线型进行缠绕线型进行缠绕层数计算缠绕层数计算。 （4 4）根据选定的原材料和工艺方法，制）根据选定的原材料和工艺方法，制 定定工艺流程工艺流程及及工艺参数工艺参数。 （5 5）根据缠绕线型选定缠绕设备，或为）根据缠绕线型选定缠绕设备，或为 缠绕设备设计提供参数。缠绕设备设计提供参数。 6.5.4.1 6.5.4.1 缠绕制品结构选型缠绕制品结构选型 （1 1）内压容器的结构形状）内压容器的结构形状 内压容器的结构形状通常为内压容器的结构形状通常为球形球形和和圆筒形圆筒形两种两种 . . 金属金属材料各向同性，材料各向同性，球形球形容器结构效率最高。即容器结构效率最高

16、。即 在相同容积条件下其表面积最小在相同容积条件下其表面积最小 。 纤维缠绕压力容器纤维缠绕压力容器，由于缠绕线型的可设计性，由于缠绕线型的可设计性， 采用采用具有封头的筒形具有封头的筒形容器是适宜的。容器是适宜的。 （2 2）筒形容器的封头外形）筒形容器的封头外形 纤维缠绕压力容器通常采用纤维缠绕压力容器通常采用均衡型等张力封头、均衡型等张力封头、 均衡型平面缠绕封头及扁椭球形封头。均衡型平面缠绕封头及扁椭球形封头。 6.5.4.2 6.5.4.2 缠绕类型的选择缠绕类型的选择 制品的结构形状和几何尺寸：螺旋缠绕制品的结构形状和几何尺寸：螺旋缠绕应用普应用普 遍，对于长形管状制品是理想的。遍

17、，对于长形管状制品是理想的。平面缠绕平面缠绕主主 要用于球形、扁椭球、长比小于要用于球形、扁椭球、长比小于4 4的筒形容器的的筒形容器的 缠绕缠绕 . . 强度要求强度要求： 螺旋缠绕，纤维在筒身上交叉程螺旋缠绕，纤维在筒身上交叉程 度相当大，从强度观点看是不利的。度相当大，从强度观点看是不利的。平面缠绕平面缠绕 以完整的缠绕层依次逐层重叠，排列较好，可以完整的缠绕层依次逐层重叠，排列较好，可 得到高强度质量轻的制品。得到高强度质量轻的制品。 荷载特性荷载特性 ：当制品受到内压以外的载荷，平面：当制品受到内压以外的载荷，平面 和环向组合缠绕的和环向组合缠绕的设计灵活性设计灵活性较大。较大。 6

18、.5.4.3 6.5.4.3 缠绕设备选择缠绕设备选择 根据根据制品的结构形状和几何尺寸、制品的结构形状和几何尺寸、 缠绕线型等综合考虑。缠绕线型等综合考虑。 一般螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕采用一般螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕采用 卧式小车环链式缠绕机。卧式小车环链式缠绕机。 平面缠绕或平面加环向缠绕一般采用平面缠绕或平面加环向缠绕一般采用 摇臂式或跑道式缠绕机摇臂式或跑道式缠绕机 6.5.5 6.5.5 缠绕工艺参数缠绕工艺参数 缠绕工艺过程一般由下列各工序组缠绕工艺过程一般由下列各工序组 成：成： 芯模或内衬制造、胶液配制、纤维烘芯模或内衬制造、胶液配制、纤维烘 干和热处理、浸胶、胶纱烘干、缠绕

19、、干和热处理、浸胶、胶纱烘干、缠绕、 固化、检测等固化、检测等 影响纤维缠绕制品性能的主要工艺参数影响纤维缠绕制品性能的主要工艺参数 （l) l) 纤维热处理和烘干纤维热处理和烘干 目的目的: :去除水份、润滑油去除水份、润滑油. .纤维的烘干制度视纤维含水量纤维的烘干制度视纤维含水量 和纱管大小而定和纱管大小而定. .通常通常, ,无捻纱在无捻纱在60608080烘干烘干24h24h。 (2) (2) 浸胶与胶液含量浸胶与胶液含量 胶液含量的高低、变化及分布对纤维缠绕制品性能胶液含量的高低、变化及分布对纤维缠绕制品性能 影响很大：一是直接影响制品质量和厚度；二是强影响很大：一是直接影响制品质

20、量和厚度；二是强 度，含胶量过高，使制品强度降低。含胶量过低，度，含胶量过高，使制品强度降低。含胶量过低， 制品孔隙率增加，气密性、耐老化性能及剪切强度制品孔隙率增加，气密性、耐老化性能及剪切强度 下降下降. . 浸浸 胶胶 方方 式式 （3 3） 缠绕张力缠绕张力 纤维所受的张紧力称缠绕张力纤维所受的张紧力称缠绕张力。张力大小、各束。张力大小、各束 纤维间张力的均匀性，以及各缠绕层之间纤维张力纤维间张力的均匀性，以及各缠绕层之间纤维张力 的均匀性，对制品质量影响极大。的均匀性，对制品质量影响极大。 a.a.缠绕张力与制品强度和疲劳性能有密切关系缠绕张力与制品强度和疲劳性能有密切关系。 张力小

21、，制品强度低，充压时变形大，疲劳性能差；张力小，制品强度低，充压时变形大，疲劳性能差； 张力过大，纤维受损伤，强度受损失。张力过大，纤维受损伤，强度受损失。 b.张力对制品密实程度有影响张力对制品密实程度有影响 纤纤 维缠绕制品的空隙率是影响性能维缠绕制品的空隙率是影响性能 的重要因素。而空隙率随缠绕张的重要因素。而空隙率随缠绕张 力变化。张力大，空隙率低。力变化。张力大，空隙率低。 C.张力对含胶量的影响张力对含胶量的影响 张力增张力增 大，含胶量降低。大，含胶量降低。 最佳缠绕张力并不是固定的，最佳缠绕张力并不是固定的， 是依芯模结构、增强材料强度、是依芯模结构、增强材料强度、 胶液黏度及

22、芯模是否加热等具体胶液黏度及芯模是否加热等具体 情况而定。情况而定。 （4 4）胶纱烘干）胶纱烘干 既可除去树脂胶液中溶剂挥发份，使在缠既可除去树脂胶液中溶剂挥发份，使在缠 绕固化中不起泡。又可使某些树脂初步凝绕固化中不起泡。又可使某些树脂初步凝 胶，提高制品强度。胶，提高制品强度。 烘干制度随树脂系统不同而异烘干制度随树脂系统不同而异 。温度不宜。温度不宜 过高或过低。温度过高，溶剂来不及除去，过高或过低。温度过高，溶剂来不及除去， 树脂就已凝胶，达不到烘干目的。树脂就已凝胶，达不到烘干目的。 （5 5）缠绕速度）缠绕速度 缠绕过程的进行，需要缠绕过程的进行，需要两个基本运动两个基本运动 芯

23、模旋转，芯模旋转，其旋转切线速度称其旋转切线速度称芯模速度芯模速度，导导 丝头（小车）往复直线运动，丝头（小车）往复直线运动，其速度称其速度称小车小车 速度速度。 由于缠绕机上述的两个运动由于缠绕机上述的两个运动 ，才使纤维能，才使纤维能 缠到芯模上去。缠到芯模上去。纤维纱线相对于导丝头缠到纤维纱线相对于导丝头缠到 芯模上去的速度称纱线速度芯模上去的速度称纱线速度。缠绕速度通常。缠绕速度通常 指纱线速度，应控制在一定范围。指纱线速度，应控制在一定范围。 （6 6） 固化固化 有常温固化和加热固化两种。有常温固化和加热固化两种。 加热的温度范围、升温速度、恒温温度及保温时间。加热的温度范围、升温速度、恒温温度及保温时间。 加热固化比常温固化的制品强度至少可提高加热固化比常温固化的制品强度至少可提高 2020 2525，可缩短生产周期。，可缩短生产周期。 升温速度为升温速度为 0.51 min。 恒温恒温 最高固化温度下，要保证足够的恒温时间。最高固化温度下，要保证足够的恒温时间。 取决于：树脂聚合反应所需要的时间，传热时间。取决于：树脂聚合反应所需要的时间，传热时间。 降温冷却降温冷却 要缓慢不能骤冷。要缓慢不能骤冷。 固化制度的确定固化制度的确定 取决于树脂