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1、树脂基复合材料缠绕成型研究进展材料学院材本 1404 王东哲0. 引言先进复合材料作为一 种比较理想的结构材料和功能材料 , 具有许多独特 的优点和重要的实用价值 , 已成为现代航空 、航天飞行器制造不可缺少的关 键材料, 并在船舶、汽车、建筑、体育用品等领域获得越来越广泛的应用 。 随 着复合材料应用领域的拓宽 , 其成型工艺日臻完善 , 新的成型方法不断涌现 , 目前聚合物基复合材料的成型 方法已有 2 0 多种 , 并成功地用工业生产 。 常见的复合材料成型技术有手糊成型喷射成型，RTM成型缠绕成型等本文主要介绍湿法缠绕成型的生产工艺和研究进展。纤维缠绕成型是在控制纤维张力和预定线型的条
2、件下，将连续的纤维粗纱 或布带浸渍树脂胶液，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制成一定形状制品的方法。0.1 缠绕制品的特点纤维缠绕成型玻璃钢除具有一般玻璃钢制品的优点外，它还具有其他成型 工艺所没有的特点，现例举如下：（ 1）比强度高缠绕成型玻璃钢的比强度三倍于钢、四倍于钛。（2）避免了布纹交织点与短切纤维末端的应力集中（3）可使产品实现等强度结构纤维缠绕成型工艺可使产品结构在不同方向的强 度比最佳。也就是说，在纤维缠绕结构的任何方向上，可以使设计的制品（如： 缠绕玻璃钢制品）的材料强度，与该制品材料实际承受的强度基本一致，使产 品实现等强度结构。
3、0.2 缠绕成型工艺分类纤维缠绕成型工艺按其工艺特点，通常分为三种。（ 1） 干法缠绕成型 采用该法制成的制品质量比较稳定 , 工艺过程易控制 ,设备比较清洁 , 可以改善劳 动卫生条件 . 缠绕速度可以提高（ 2） 湿法缠绕成型 湿法缠绕成型工艺湿法缠绕工艺设备比较简单，对原材料要求不严，便于可选 用不同材料，因纱带浸胶后马上缠绕，对纱带的质量不易控制和检验，同时胶液中尚 存大量的溶剂，固化时易产生气泡，缠绕过程中纤维的张力也不易控制，但生 产效率很高。（ 3） 半干法缠绕成型将无捻粗纱浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上的成型工艺方法与湿法相 比，增加了烘干工序，除去了溶剂。与干法相比，无
4、需整套的预浸设备，缩短 了烘干时间，使缠绕过程可在室温下进行。提高了制品质量。1. 湿法成型研究进展作为一种理想的结构材料和功能材料 , 近年来树脂基复合材料在航空航天 等领域获得了迅猛的发展。然而 , 这类材料往往成本高昂 , 限制了其在船舶、 建筑、体育等民用领域的广泛应用。在树脂基复合材料总成本中 , 制造成本所 占比重一般高达6070 %,如何从工艺技术上突破以降低成本已是当今复合材 料业面临的重要课题。树脂基复合材料缠绕成型技术最早出现于上世纪 40 年 代, 经过半个多世纪的发展 , 缠绕成型已经成为复合材料制造工艺中最重要的手 段之一。由于受原材料及工艺控制手段等所限 , 早期特
5、别是在航空航天等领域 , 缠绕成型多采用预浸带干法形式进行 。这种成型方法生产环境较好 , 可获得性 能优秀的复合材料制品 , 然而所需设备复杂 , 投资较大,产品成本较高。湿法缠 绕成型是在增强材料经过树脂浴后直接缠绕在芯模上固化成型 , 树脂的润滑作用 可减少增强纱带传递中的磨损 , 有利于纤维的强度发挥 。更重要的是 , 由于省 略了预浸带制作步骤 , 湿法缠绕成型所需设备简单 , 工序少而生产周期较短 , 可有效提高生产效率和降低制造成本 。资料表明 , 以湿法缠绕取代干法缠绕 , 成本约降低 40 %。因此 , 在制品的缠绕成型中 , 有以湿法缠绕取代干法缠绕成 型的趋势。限制湿法缠
6、绕成型广泛应用的主要因素主要有 适于湿法缠绕成型 的树脂基体种类较少；湿法缠绕工艺控制较难控制等。近年来，人们针对这 些问题做了大量的研究 , 并取得了一定的成果 。2. 湿法缠绕用增强材料缠绕成型用增强材料主要玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维 。玻璃纤维是应用 最早的增强材料 , 最初是普通的 E 玻璃纤维 。上世纪 60 年代高强玻璃纤维 问世, 立即得到广泛应用。芳纶纤维问世于上世纪 70 年代, 拉伸强度与高强玻 璃纤维相当 , 但密度只有 1. 45g/cm3, 比强度为当时最高水平 , 于上世纪 7080年代成为复合材料固体火箭发动机壳体的主要增强材料。碳纤维出现比较早 , 但由于初期的
7、碳纤维断裂延伸率较低 , 限制了其在许多结构材料领域 的应用。另外 , 碳纤维的密度较大 , 影响了该种纤维的竞争力 。由于在湿法缠 绕中树脂基体不允许添加非活性的溶剂而粘度较大 , 为保证缠绕过程中增强材 料被充分浸透 , 相对于干法缠绕 , 湿法缠绕要求增强材料有更好的浸润性。在 以上 3 种主要增强材料中玻璃纤维对树脂的浸润性最好 , 因此较适应于湿法缠 绕工艺 。芳纶纤维属有机纤维 , 其横断面是典型的“皮芯”结构 , 皮层是刚性 聚合物大分子伸直排列成较为完善的原纤结构 , 包围着较为松散的微晶芯层结构。 该结构决定了纤维的纵向强度较高 , 横向强度低而易发生纤维劈裂。湿法缠绕 工艺
8、使浸渍树脂的纤维直接缠绕在芯模上 , 简化了预浸渍后的卷纱工序 , 减少 了纤维卷绕中表层损伤的机会 。美国与原苏联的芳纶纤维缠绕固体火箭发动机 壳体大都采用湿法缠绕工艺成型 。碳纤维与树脂的浸润性不好 , 但生产厂家在 出厂前通过添加涂层材料改善了碳纤维的浸润性 , 使其能够用于湿法缠绕。另 外 , 碳纤维属于脆性材料 , 而湿法工艺使纤维在树脂的润滑下减少了缠绕过程 中的磨损消耗 , 这使得碳纤维较适于湿法缠绕工艺。随着碳纤维制造技术的发 展 , 碳纤维有望在结构材料领域完全取代芳纶纤维。随着技术研究的进步 , 目 前出现了更高性能的有机纤维，如超高分子量聚乙烯纤维、PBO聚对苯并双 口恶
9、唑 ) 纤维等 。这类纤维特点是具备超高强度的性能 , 而分子链结构上含有 较少或不含有极性基团 , 表面惰性较强 , 与树脂基体的浸润和粘接性较差 。 王百亚等人对 PBO 纤维的湿法缠绕工艺性进行了初步的研究 。结果表明 , PBO和环氧基体间结合较差,难以发挥PBO纤维的高强特性。PBO纤维的表 面电晕处理对其浸润性改善并不明显 。该类纤维应用于湿法缠绕尚需进行较多 的研究 。湿法缠绕成型用增强材料的形式主要为无捻粗纱 。由于无捻粗纱合 股后形成的纤维带束内 , 纤维之间排布有重叠 、交叉和空隙 , 参与合股的粗 纱各自的张力大小不均匀 , 因此力学性能未得到充分发挥 。用编制布缠绕可
10、获得横向剪切和压缩性能大大优于纤维缠绕的复合材料 , 尤其是对于在多重载 荷下工作的部件 , 布带缠绕可获得较高的结构效率 。3. 湿法缠绕用树脂基体的研究对于湿法缠绕成型用基体树脂 , 除要求能提供优秀的热机电性能外 , 还要 求其在工作温度下具有较低的初始粘度以及在该温度下保持较长时间 （ 即适用 期 ） 的低粘度状态 。常用的基体树脂主要有不饱和聚酯及环氧树脂等 。不饱 和聚酯的突出优点是粘度低 、价格便宜 , 但其凝胶速度较快 、固化产物综合 性能不高 , 主要应用于要求不高的民用低压结构材料领域 。目前湿法缠绕用不 饱和聚酯研究的主要方向是高性能化 、延长并使其凝胶时间可控化 。周文
11、英 等人开发出了一种不饱和聚酯体系，用于环保水处理容器湿法缠绕成型。NOL环实验及容器疲劳 、爆破试验表明 , 该配方体系粘度低而缠绕工艺性能优异 韧性好 、与玻璃纤维界面粘接效果好 、纤维强度转化率在 80 %以上 , 使用其 缠绕成型的水处理容器力学性能不低于原环氧树脂体系 , 然而成本是原体系的 一半 。由于良好的粘接性 、耐化学腐蚀性及低收缩性等性能 , 环氧树脂在先进复合材 料领域获得了广泛的应用 。但相对于不饱和聚酯而言 , 环氧树脂具有价格昂 贵 、粘度较大等缺点 。在作为湿法缠绕用树脂基体时 , 目前的研究主要是在 不过度降低树脂的热机电性能的基础上 , 改善其湿法工艺性 ,
12、即通过选择适当 的稀释剂来降低体系的粘度 ; 通过选择适当的固化剂和促进剂降低体系的固化 温度 、延长体系的适用期 。4. 湿法缠绕成型工艺的研究湿法缠绕用增强材料和树脂基体是湿法缠绕成型顺利进行的必要物质条件但制品的性能和材料性能的充分发挥很大程度上决定于缠绕工艺的执行状况。与干法成型相比 , 湿法缠绕成型最大的困难在于含胶量和胶液均匀分布的精确 控制 。在湿法缠绕工艺中影响含胶量的因素有很多 , 如缠绕张力 、树脂粘度 以及刮胶系统等 。这些因素之间互相影响 , 从而决定了湿法缠绕工艺控制的难 度 。目前 , 对于湿法缠绕工艺的系统研究尚较少见诸报道 , 而湿法缠绕成型 的应用主要在要求不
13、高的民用建材 、管道等领域 。任鹏刚等人将纤维湿法缠 绕技术应用于复合材料空心绝缘子的成型 , 对其进行了湿法成型工艺的初步研 究 。结果表明 , 纤维湿法缠绕优于真空浸渍的布带缠绕成型方法 , 可获得密 实性 、防水扩散性较好的材料 。刘炳禹等人在碳纤维复合材料锥形壳体的成 型中初步探讨了湿法缠绕成型工艺 , 研究了胶液粘度 、挤胶辊间隙与含胶量之 间的关系 。5. 结论与展望目前常用的增强材料均可用于湿法缠绕成型 , 而新出现的超强有机纤维 , 如超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维等，由于表面惰性较大，欲用于湿法缠 绕成型尚需进一步的研究 。适用的树脂基体种类较少是限制湿法缠绕获得进一 步应用的主要限制因素之一 , 目前已研制出了一些性能优异的环氧和非环氧湿 法缠绕用配方 。今后的研究方向应着力于解决配方中低温可固化和常温适用期 之间的矛盾 , 在降低体系固化温度的同时延长体系的适用期 。湿法缠绕工艺 是影响制品性能的重要因素之一。针对于此 , 今后的研究重点应集中于胶液粘 度 、缠绕张力以及挤胶状况对含胶量的影响 , 做到在缠绕工艺中使树脂粘度可 调 , 并精确量化缠绕张力与含胶量以及制品性能之间的关系。
