树脂基复合材料缠绕成型工艺的研究与应用姓名：刘伟萍(西北工业大学机电学院, 陕西西安710072)摘要：随着我国航空事业的发展，先进材料方面的需求越来越急迫，复合材料各方面的优秀性能使得它在飞机上的应用越来越广泛。
现阶段我国在复合材料方面虽然取得了一定进展，但在成型工艺方面与欧美等国家还存在一定差距。
复合材料的成型工艺方法很多，本文主要介绍了树脂复合材料缠绕成型工艺的特点、工艺流程、及现阶段还存在的一些问题和相应的解决办法。
关键字：树脂基复合材料缠绕成型工艺流程The Research and Application of Winding And Forming Process of Polymer CompositesAbstract:With the development of Chinese aviation industry,the demand in the spects of advanced materials become more urgent.Because of the excellent properties of composites,it is applied more and more widely in the aircraft.Nowadays,China has made some progress in terms of composite materials ,But in terms of composites forming process,there is still a gap between China and westen developed countries like America and UN.There is A lot of methods in c omposites and winding forming process,this paper describes the characteristics、forming process of polimer composites,it also introduces some problems and corresponding solutions.Keyword:Polymer Composites Winding And Forming Process technological process1 绪论1.1复合材料的应用与研究复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料具有质量轻、比强度、比模量高，较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、耐高温、性能可设计性等特点，因此被大量用于航空航天等军事领域和民用领域，是制造飞机、火箭、航天飞行器等的理想材料。
在航空工业中，复合材料的应用越来越广泛，而且成为衡量飞机性能的重要参数。
复合材料成型技术在应用过程中不断积累应用经验,提高技术水平, 完善配套技术, 从非承力构件整流蒙皮逐渐发展到承力构件尾翼、机翼, 从简单结构层合壁板, 逐渐发展到整体复合材料结构尾翼和机翼。
先进树脂基复合材料在飞机上的应用可以实现15% ～30%减重, 可有效降低飞机的结构重量, 提高飞机的机动性能和有效载荷等。
飞机结构复合材料化已经成为趋势, 先进树脂基复合材料已经成为不可缺少的关键航空结构材料。
从上世纪90 年代开始, 先进战斗机大量使用先进树脂基复合材料, 如F - 22飞机复合材料的用量达到约25% , F - 35 复合材料用量达到35% ,主要应用包括机翼、机身、尾翼等主要承力构件。
先进树脂基复合材料在民用飞机的应用从2003 年用量得到了跨越发展, 空客公司的A380宽体客机复合材料的用量增加到24% , 波音公司的B787飞机复合材料用量达到约50% , 空客公司在研究的A350XWB复合材料用量将达到52%。
随着国内先进树脂基复合材料性能的提高, 制造技术的不断成熟, 配套无损检测和装配等技术的完善, 国内先进树脂基复合材料在直升机、歼击机和大型飞机得到相当的应用。
歼击机复合材料的用量已经达到6% ～9% , 主要包括机翼、平尾、垂尾、前机身、鸭翼、襟副翼、腹鳍等; 直升机复合材料用量达到25% ～33% ,主要包括旋翼系统和机身结构。
先进树脂基复合材料机翼、平尾、垂尾、鸭翼、直升机机身、尾段等复合材料构件已经实现批量生产。
1.2树脂基复合材料的应用现状复合材料按其基体材料的不同可分为聚合物复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料，我们通常所说的树脂基复合材料属于聚合物复合材料，现阶段复合材料的应用以它最广，占所有复合材料总量的90%以上。
所以本文主要讲述了树脂基复合材料的成型工艺。
先进复合材料主要指热固性树脂或热塑性树脂为基体、高性能连续纤维为增强体的一类材料，对于飞机承力结构而言，尤其以碳纤维/环氧树脂基复合材料和碳纤维/双马树脂基复合材料用量最大。
先进复合材料是通过一定的工艺方法由树脂和纤维复合而成的，与传统的金属材料不同，树脂基复合材料工艺过程具有材料形成和构件成型同时完成的特点，即复合材料形成时其结构尺寸与构件基本一致，只需少量的后加工便可使用。
这个特点一方面使得一些对于传统材料难以加工的构件成为了可能，另一方面也决定了工艺过程对于复合材料性能和成本的重要性。
目前，随着复合材料工业的迅速发展，树脂基复合材料正凭借其本身固有的轻质高强、成型方便、不易腐蚀、质感美观等优点，越来越受到人们的青睐。
1.3树脂基复合材料成型工艺树脂复合材料的成型方法主要包括两部分：热塑性树脂复合材料成型和热固性树脂复合材料成型。
热塑性树脂基复合材料的成型方法包括树脂传递模塑成型法、模压成型法、注射成型法、拉挤成型法、弹性体储存成型法和纤维缠绕成型法等：热固性树脂基复合材料成型方法主要包括层压成型法、模压成型法、手糊成型法、拉挤成型法和缠绕成型法等。
1.4 本文研究方向本文着重介绍了树脂基复合材料缠绕成型工艺及其应用，主要包括缠绕成型的原材料、工艺流程、影响制品的因素、制品容易产生的缺陷和解决办法。
2.树脂基复合材料缠绕成型工艺2.1树脂基复合材料缠绕成型工艺定义缠绕成型工艺是一种连续化制备复合材料的方法，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。
2.2缠绕成型工艺方法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。
（1）干法缠绕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。
（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：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。
（3）半干法缠绕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。
2.3缠绕成型工艺特点纤维缠绕成型的优点①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②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，重量可减轻40～60%；③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；④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；⑤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。
缠绕成型的缺点①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；②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，才能获得较的的技术经济效益。
2.4缠绕成型工艺的原材料复合材料缠绕工艺所用的原材料主要有增强材料和基体树脂材料两大类。
（1）增强材料缠绕成型工艺对增强材料的要求是：有较高的强度和模量；对粘结剂有较好的浸润性；成型过程中不起毛、不断头。
常用的增强材料有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维等。
可根据制品的性能要求选择。
(2)基体树脂对基体树脂的要求是：能满足制品的性能要求（如力学性能、耐热性能、耐老化性能、介电性能等）；对增强材料有良好的浸润和粘接性，有较低的固化温度。
常用的树脂有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺树脂等。
在干法缠绕成型工艺中采用浸渍无纬带作为原材料。
2.5缠绕成型工艺流程缠绕成型工艺流程图如下图所示其工艺过程有如下工序组成：胶液配制、纤维烘干及热处理、芯模或内衬制造、浸胶、缠绕、固化、检验、修正、成品。
选择合理的缠绕工艺参数，是充分发挥原材料特性、制造高质量缠绕玻璃钢制品的重要条件。
影响缠绕玻璃钢制品性能的主要工艺参数包括玻璃纤维的烘干和热处理、玻璃纤维浸胶、缠绕速度和环境温度等。
这些因素彼此之间存在有机联系，因此将他们结合在一起研究。
（1）纤维的烘干和热处理玻璃纤维表面含有水分，不仅影响树脂基材和玻璃纤维之间的粘结性能，同时将引起应力腐蚀，并使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而使制品强度和耐老化行下降。
因此，玻璃纤维在使用前最好经过烘干处理。
当用石蜡型浸润剂的纤维缠绕时，使用前应先除蜡，以便提高纤维和树脂基材之间的粘结性能。
（2）玻璃纤维浸胶含量的分布在玻璃纤维的生产和应用过程中，浸润剂起着不可替代的关键作用。
浸润剂含量是玻璃纤维成品纱中一项重要的理化指标，它不仅直接影响成品纱的外观质量，而且更会影响成品纱的性能质量。