复合材料缠绕工艺全景解析-技术的过去与未来

缠绕成型工艺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。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。　

干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。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。

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：①成本比干法缠绕低40%；②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；③纤维排列平行度好；④湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）。湿法缠绕的缺点为：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少。

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

缠绕管道工艺是增强树脂成型工艺中，实现全自动化、生产率较高、原材料利用率高、制品成本较低的优秀工艺。因而其具有广阔的发展前景。此章节将近几十年拉挤成型工艺缠绕管道工艺进展及设备进行阐述。

从国内发展情况看，1946 年，首个纤维缠绕技术专利在美国注册，纤维缠绕成型工艺开始发展。按实现形成螺旋线的主运动方式，所用的缠绕机的布局类型在20世纪60年代已基本完成，具体如下图所示。

图 螺旋缠绕

1965 年，北京 251 厂设计了我国首台卧式纤维缠绕机“525”，该缠绕机于 2011 年“退休”。1966 年，设计了齿链式机械无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机，此机不用挂轮，可便捷地调节缠绕规律与排纱密度，生产了多种规格的气瓶。从结构布局考虑，对生产15L及其以下气瓶用的链条式缠绕机采取链传动垂直面布置；生产20L及其以上气瓶用的链条式缠绕机采取链传动水平面布置，其链轮由前者的两只变为四只。

图 基本卧式纤维缠绕机

图 无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机传动系统

(北京251厂)

图 “525”我国第一台环链卧式纤维缠绕机(北京251厂)

1966年，国家纺织工业部下达大型立式纤维缠绕机项目，七机部43所、中国纺织科学研究院、北京251厂、太原重型机械厂、陕西重型机械厂共五家单位参加。该项目于次年完成，迄今仍在使用。1984年，北京电力设备总厂引进了加拿大立式缠绕机。

图 立式绕臂纤维缠绕机

1974年，北京251厂成功研制X2型行星式纤维缠绕机，传动系统中采用了三轴同心行星原理。

图 行星式纤维缠绕机(北京251厂)

20世纪90年代起，囯内一些大学和企业纷纷开展了MCFW和机器人缠绕机研发，如哈尔滨玻璃钢研究院、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、中船625所、武汉九迪复合材料公司、哈尔滨理工大学、南京航空航天大学及其合作之上海万格公司、苏州中科时代电子技术公司、衡水华成公司、连云港中通公司、连云港唯德公司、石家庄莱德公司、湖南江南四棱数控机械有限公司、台湾省工业研究院、台湾省金财兴公司等。2000年，笔者曾访问位于新竹的工业研究院，得知其已成功研发了7轴缠绕机。几年前我国海关已明令，我国四轴以上缠绕机限制出口，抚今追昔，笔者深为我国进步而自豪！

图 微机控制7轴4联动双小车重型缠绕机

（武汉理工大学）

微机控制纤维缠绕张力的纱架已在国内外推广，21世纪初苏州中科时代开发成功，北京251厂实用最早（2004）。武工大、哈工大、江南四棱数控等单位现也已投入使用。

图 苏州中科时代公司开发的微机控制纤维缠绕张力的纱架及缠绕机

2014年，上海万格复合材料技术公司综合五家德国公司和三家国内公司技术，成功开发机器人纤维缠绕气瓶自动生产线，已出口日本。台湾省购其10工位缠绕设备，生产的液化气罐已获德国认证。

图 国产纤维缠绕气瓶自动生产线(上海万格公司)

2010年，上海引进意大利VEM公司连续管生产线投产。2016 年，新疆永昌公司引进英国 Tech-no⁃bll 公司连续管生产线。近年连云港、重庆推出了相同原理的生产线。青岛曾开发无凸轮的钢带式连续管机。国内设备开发中的经验教训是，要重视工艺及其软件，设备运行要稳定，忌钢带打滑与重叠。泉州福建路通管业科技股份有限公司引进欧洲技术制造了凸轮钢带式连续管生产线,生产直径最大达4m。

河北省景县恒安泰公司即采用美国Fiberspar连续管道生产工艺，其承担的国家十二五863科技项目——柔性海底管道关键技术研究，于2016年通过国家科技部组织的专家验收。其连续管道生产线。

图 河北省景县恒安泰公司连续管道生产线

2020年，重庆庆阳控股（集团）有限公司/河南省沁阳市复合材料研究院与濮阳县福瑞普建材公司分别成功研制直径为 10 mm~250 mm高效连续缠绕玻璃钢管生产线。此线无钢带建模，在简捷的设备上，低成本高效率完成玻璃钢管道的连续成型，其生产速度可以达到 2 m/min。其诀窍系牵引履带机公转自转同步进行。韩国亦有此类似设备。小直径非钢带连续缠绕玻璃钢管生产线及其牵引部件见图。

图 小直径非钢带连续缠绕玻璃钢管生产线

从国外发展情况看，FW)发展甚快。知名厂家有美国安德逊公司、哥德华赛工程公司（Goldsworthy Engineering）、工程技术公司（Entec-Engineering Technology）、德囯百事得(BSD)公司、华特与威瑟(Waltritisch & Wachter)公司等。现在国际市场上的缠绕机已达到六轴。

图 美国安德逊公司微机控制6轴纤维缠绕机动作

2004年创立的法国 MFTech 公司最早研究机器人缠绕并将其商业化，由该公司提供的机器人缠绕设备充分利用了机器人的柔性，可采用抓取模具和带动导丝头两种方式进行缠绕成型。

图  MFTech机器人缠绕

美国Fiberspar公司于1999年开始商业化生产连续缠绕柔性管，据称是当今全球业界的领导者。其生产工艺是：挤出高密度聚乙烯或交联聚乙烯热塑性塑料内衬层（压力防渗漏层）-多次环向缠绕玻纤环氧层(结构层)-外包覆热塑性塑料层（耐磨层）。整个生产线全部自动控制，由14台缠绕机、牵引机、固化炉、收卷装置以及两台挤出机等组成。在塑料管上纤维缠绕玻璃钢后在线挤出外塑料保护层，制成管线。生产速度取决于管径，一般为2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管线连续生产长度可达10800 m，理论上可以达无限长度。

在能源化工及交通领域的应用

图 压力容器、气瓶、膜壳

汽车作为现代产业在科技的带动下快速发展，随着汽车复合材料应用水平的不断提高，复合材料单车用量将逐渐增加，2015年我国汽车工业所需塑料、复合材料总量约为 165 万 t。随着成型技术和装备的不断发展，复合材料汽车零部件在汽车领域的应用将日益扩大。为了提高汽车轻质、高强的性能，复合材料逐渐取代传统汽车制造应用材料，缠绕技术在汽车制造上的主要应用为传动轴、排气管、涡轮增压管、车载气瓶、吸能器、保险杠等。

海洋船舶领域对复合材料需求最多的是复合材料管道，缠绕成型的复合材料管道因具有耐腐蚀、耐油、耐高温等特性被广泛应用于海上油气运输、海洋平台及船舶等领域。除此之外，还有疏浚管道、海底输油软管、潜艇耐压壳体、深海探测器、潜水呼吸气瓶、船桅杆等应用。

图 海上管道及管缆

图 陆地油气管道、海洋油气管道

在航空航天及军工领域的应用

飞机复合材料构件的自动化成型工艺主要包括纤维丝缠绕、纤维带缠绕和纤维丝铺放三种类型。由于缠绕制品的高强度、耐高温、耐腐蚀等性能，目前缠绕制品在航空领域可用于雷达罩、发动机机匣、燃料储箱、飞机副油箱和过滤器等零部件的成型，还可应用于小型飞机与直升机机身、机翼、桨叶、起落架等结构的成型。现代大型喷气客机上众多的高压气瓶都是采用复合材料缠绕成型工艺制造的。

在航天领域，缠绕成型技术主要应用于神舟飞船承力构件、卫星结构、返回舱、空间系统、复合材料压力容器、固体火箭发动机壳体等方面的制造。在国防军工领域，缠绕成型技术主要应用于大型导弹复合材料发射筒、鱼雷发射管、姿控系统、枪架、火箭发射筒、轨道炮身管等。

先进复合材料的缠绕、铺放成型是固体火箭发动机壳体，大飞机机身、机翼，风电叶片等核心部件的关键制造技术，对我国重大项目的实施和航空航天事业的发展有着举足轻重的作用。多年来，我国复合材料缠绕、铺放成型制造技术一直面临“卡脖子”难题，2022年4月2日，由星火机床集团公司联合武汉理工大学研发的国家重点项目，多轴联动复合材料数控缠绕设备正式交付委托方。由此，长期依赖国外的复合材料缠绕设备“卡脖子”难题得以彻底解决，星火机床集团公司也全面实现了关键核心技术自主可控的重大突破。

复合材料作为一种先进材料，具有非常广阔的发展空间。先进复合材料具有质量轻、比强度高、耐高温和耐腐蚀等一系列优点，被广泛应用到航空航天、国防装备及能源开发等领域，并推动了相关工业领域的快速发展。复合材料的广泛应用，在很大程度上取决于复合材料的成型工艺。其中，缠绕和铺放技术是近年来发展快、有效的技术。

缠绕技术是指在控制张力和预定线型的条件下，将预浸胶纤维或布带连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化成一定形状制品的方法。

带缠绕成型技术随着计算机技术、信息技术、控制技术的发展，在功能方面不断扩大。从国外来看，美国已将带缠绕成型工艺应用于型号研制：MD-2 固体火箭发动机喷管部件中的 13 个零件，“侏儒”导弹的发动机喷管都是通过缠绕成型；欧洲、日本也在航天器、武器研制等领域广泛地应用带缠绕成型工艺：欧洲“阿里安”火箭的助推器喷管，法国 M51 导弹的壳体，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器喷管都在使用缠绕成型的复合材料。

在国内，我国自60年代就开始研制复合材料缠绕设备及其成型工艺。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及华中科技大学等单位先后研制出不同的复合材料缠绕成型设备。西工大通过自主研发的多功能布带数控缠绕机，工作效率高，缠绕出的制品达到型号工艺要求，成为能够满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的关键配套设备。但是，上述缠绕成型设备基本上都是针对型面规则的回转体零件研制开发的，对于诸如大飞机的机翼、机身、风电叶片等大型非规则复杂结构件无法实现缠绕成型。

随着复合材料相关技术的发展，带缠绕、铺放成型技术呈现出多工艺复合化、成型设备精密化、CAD/CAM技术应用日益增多、成型设备与机器人结合化、热塑性树脂基复合材料逐渐增多及新型固化技术不断应用的发展趋势。经过 40 余年的研究与发展，我国复合材料缠绕、铺放成型制造技术的研究和应用已初具规模，但仍然面临着国外技术的严密封锁与技术储备的严重不足。由星火机床集团公司联合武汉理工大学研发的多轴联动复合材料数控缠绕设备正式交付委托方。由此，长期依赖国外的复合材料缠绕设备“卡脖子”难题得以彻底解决。

图 多轴联动复合材料数控缠绕设备

这次交付用户的设备是国家重点项目关键设备，是集新工艺、新材料制造技术、自动控制技术等为一体的智能化高新技术产品，能够完成各种非金属玻璃纤维、碳纤维复合材料产品的筒形、球形、锥形等形状的缠绕加工生产。该设备主要有自动化程度高、精度高、可靠性强等特点，突破了国内很多的技术瓶颈，解决了国内（技术）卡脖子问题，填补了国内空白。

生物基“以竹代塑”

竹缠绕复合材料，以水溶性氨基类树脂为胶黏剂，采用缠绕工艺加工成型的新型生物基材料，属于新型生物基材料。竹缠绕技术，打破了数千年来人类对于竹子的应用形成的固有认识，开启了传统竹产业变革的新征程。竹缠绕复合材料技术可以广泛应用于市政、水利、建筑、交通、石油化工、海洋、航天、国防建设等多个领域，对于国民经济发展具有重要作用。

图 国际竹藤中心与浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司研发的竹缠绕产品

高精度多轴纤维缠绕

高精度多轴纤维缠绕生产线是生产制作高精度、高强度等高性能纤维缠绕制品的生产线，主要由缠绕机轨道或门架、驱动床头、床尾、缠绕小车、浸胶系统、导丝嘴翻转装置、伸臂进给装置及纱架、电子气动伺服张力控制系统、加热装置、PLC控制系统和电气控制系统及安全防护系统等部分组成。能满足各种树脂和纤维体系的球体、锥体、圆柱体、(半)椭球体、矩形体以及组合体等轴对称结构件缠绕制品的制作。适用于对产品性能要求较高的运输及航空航天领域。

图 多轴纤维缠绕机 COMET

碳纤维连续缠绕

碳纤维，因其出色的性能，逐渐成为氢气瓶制造的主流材料。然而，早期在国内，由于70 MPa碳纤维缠绕IV型瓶的制备技术不成熟和规模化生产难度大，造成了较高的制备成本，限制了这一技术的广泛应用。但随着技术的持续发展和生产规模的扩大，成本逐渐降低，这为氢气瓶的进一步普及和应用奠定了基础。

在氢气瓶的技术进化中，Ⅲ型和Ⅳ型气瓶标志着一个重要的转变。这两种类型的气瓶主要由内胆和纤维缠绕层组成，采用了先进的复合材料技术。内胆通常由金属或其他材料制成，而外围则由碳纤维、玻璃纤维等高强度纤维复合材料缠绕而成，显著提高了气瓶的承压能力和安全性。

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