1 緒論   
 

1.1復(fù)合材料的應(yīng)用與研究
 

      復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度、比模量高，較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、耐高溫、性能可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，因此被大量用于航空航天等軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，是制造飛機(jī)、火箭、航天飛行器等的理想材料。
 

       在航空工業(yè)中，復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛，而且成為衡量飛機(jī)性能的重要參數(shù)。復(fù)合材料成型技術(shù)在應(yīng)用過程中不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),提高技術(shù)水平, 完善配套技術(shù), 從非承力構(gòu)件整流蒙皮逐漸發(fā)展到承力構(gòu)件尾翼、機(jī)翼, 從簡單結(jié)構(gòu)層合壁板, 逐漸發(fā)展到整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尾翼和機(jī)翼。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)15% ～30%減重, 可有效降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量, 提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能和有效載荷等。飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化已經(jīng)成為趨勢, 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)成為不可缺少的關(guān)鍵航空結(jié)構(gòu)材料。從上世紀(jì)90 年代開始, 先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)大量使用先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料, 如F - 22飛機(jī)復(fù)合材料的用量達(dá)到約25% , F - 35 復(fù)合材料用量達(dá)到35% ,主要應(yīng)用包括機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等主要承力構(gòu)件。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在民用飛機(jī)的應(yīng)用從2003 年用量得到了跨越發(fā)展, 空客公司的A380寬體客機(jī)復(fù)合材料的用量增加到24% , 波音公司的B787飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到約50% , 空客公司在研究的A350XWB復(fù)合材料用量將達(dá)到52%。隨著國內(nèi)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料性能的提高, 制造技術(shù)的不斷成熟, 配套無損檢測和裝配等技術(shù)的完善, 國內(nèi)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在直升機(jī)、殲擊機(jī)和大型飛機(jī)得到相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。殲擊機(jī)復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到6% ～9% , 主要包括機(jī)翼、平尾、垂尾、前機(jī)身、鴨翼、襟副翼、腹鰭等; 直升機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到25% ～33% ,主要包括旋翼系統(tǒng)和機(jī)身結(jié)構(gòu)。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料機(jī)翼、平尾、垂尾、鴨翼、直升機(jī)機(jī)身、尾段等復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

 

1.2樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀
 

       復(fù)合材料按其基體材料的不同可分為聚合物復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，我們通常所說的樹脂基復(fù)合材料屬于聚合物復(fù)合材料，現(xiàn)階段復(fù)合材料的應(yīng)用以它最廣，占所有復(fù)合材料總量的90%以上。所以本文主要講述了樹脂基復(fù)合材料的成型工藝。
 

       先進(jìn)復(fù)合材料主要指熱固性樹脂或熱塑性樹脂為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)體的一類材料，對于飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)而言，尤其以碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料和碳纖維/雙馬樹脂基復(fù)合材料用量最大。先進(jìn)復(fù)合材料是通過一定的工藝方法由樹脂和纖維復(fù)合而成的，與傳統(tǒng)的金屬材料不同，樹脂基復(fù)合材料工藝過程具有材料形成和構(gòu)件成型同時(shí)完成的特點(diǎn)，即復(fù)合材料形成時(shí)其結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)件基本一致，只需少量的后加工便可使用。這個(gè)特點(diǎn)一方面使得一些對于傳統(tǒng)材料難以加工的構(gòu)件成為了可能，另一方面也決定了工藝過程對于復(fù)合材料性能和成本的重要性。目前，隨著復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料正憑借其本身固有的輕質(zhì)高強(qiáng)、成型方便、不易腐蝕、質(zhì)感美觀等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的青睞。
 

      1.3樹脂基復(fù)合材料成型工藝
 

       樹脂復(fù)合材料的成型方法主要包括兩部分：熱塑性樹脂復(fù)合材料成型和熱固性樹脂復(fù)合材料成型。熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型方法包括樹脂傳遞模塑成型法、模壓成型法、注射成型法、拉擠成型法、彈性體儲存成型法和纖維纏繞成型法等：熱固性樹脂基復(fù)合材料成型方法主要包括層壓成型法、模壓成型法、手糊成型法、拉擠成型法和纏繞成型法等。
 

      1.4 本文研究方向
 

      本文著重介紹了樹脂基復(fù)合材料纏繞成型工藝及其應(yīng)用，主要包括纏繞成型的原材料、工藝流程、影響制品的因素、制品容易產(chǎn)生的缺陷和解決辦法。
 

       2. 樹脂基復(fù)合材料纏繞成型工藝
 

       2.1樹脂基復(fù)合材料纏繞成型工藝定義
 

       纏繞成型工藝是一種連續(xù)化制備復(fù)合材料的方法，將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、預(yù)浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品。
 

       2.2纏繞成型工藝方法分類
 

       根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。

     （1）干法纏繞 干法纏繞是采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。由于預(yù)浸紗（或帶）是專業(yè)生產(chǎn)，能嚴(yán)格控制樹脂含量（精確到2%以內(nèi)）和預(yù)浸紗質(zhì)量。因此，干法纏繞能夠準(zhǔn)確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。干法纏繞工藝的最大特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達(dá)100～200m/min，纏繞機(jī)清潔，勞動(dòng)衛(wèi)生條件好，產(chǎn)品質(zhì)量高。其缺點(diǎn)是纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，故投資較大此外，干法纏繞制品的層間剪切強(qiáng)度較低。
 

     （2）濕法纏繞 濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優(yōu)點(diǎn)為：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好，因?yàn)槔p繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；③纖維排列平行度好；④濕法纏繞時(shí)，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高（達(dá)200m/min）。濕法纏繞的缺點(diǎn)為：①樹脂浪費(fèi)大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少。
 

     （3）半干法纏繞 半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。
 

三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。
 

       2.3纏繞成型工藝特點(diǎn)
 

       纖維纏繞成型的優(yōu)點(diǎn) ①能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，使能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度；②比強(qiáng)度高：一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質(zhì)容器相比，重量可減輕40～60%；③可靠性高：纖維纏繞制品易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，工藝條件確定后，纏出來的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確；④生產(chǎn)效率高：采用機(jī)械化或自動(dòng)化生產(chǎn)，需要操作工人少，纏繞速度快（240m/min），故勞動(dòng)生產(chǎn)率高；⑤成本低：在同一產(chǎn)品上，可合理配選若干種材料（包括樹脂、纖維和內(nèi)襯），使其再復(fù)合，達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
 

       纏繞成型的缺點(diǎn) ①纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品，因?yàn)槔p繞時(shí)，纖維不能緊貼芯模表面而架空；②纏繞成型需要有纏繞機(jī)，芯模，固化加熱爐，脫模機(jī)及熟練的技術(shù)工人，需要的投資大，技術(shù)要求高，因此，只有大批量生產(chǎn)時(shí)才能降低成本，才能獲得較的的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
 

       2.4纏繞成型工藝的原材料
 

       復(fù)合材料纏繞工藝所用的原材料主要有增強(qiáng)材料和基體樹脂材料兩大類。

     （1）增強(qiáng)材料  纏繞成型工藝對增強(qiáng)材料的要求是：有較高的強(qiáng)度和模量；對粘結(jié)劑有較好的浸潤性；成型過程中不起毛、不斷頭。常用的增強(qiáng)材料有：玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維等?？筛鶕?jù)制品的性能要求選擇。
 

      (2)基體樹脂  對基體樹脂的要求是：能滿足制品的性能要求（如力學(xué)性能、耐熱性能、耐老化性能、介電性能等）；對增強(qiáng)材料有良好的浸潤和粘接性，有較低的固化溫度。常用的樹脂有：不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺樹脂等。
 

在干法纏繞成型工藝中采用浸漬無緯帶作為原材料。
 

       2.5纏繞成型工藝流程
 

       纏繞成型工藝流程圖如下圖所示

   

       其工藝過程有如下工序組成：膠液配制、纖維烘干及熱處理、芯?；騼?nèi)襯制造、浸膠、纏繞、固化、檢驗(yàn)、修正、成品。選擇合理的纏繞工藝參數(shù)，是充分發(fā)揮原材料特性、制造高質(zhì)量纏繞玻璃鋼制品的重要條件。影響纏繞玻璃鋼制品性能的主要工藝參數(shù)包括玻璃纖維的烘干和熱處理、玻璃纖維浸膠、纏繞速度和環(huán)境溫度等。這些因素彼此之間存在有機(jī)聯(lián)系，因此將他們結(jié)合在一起研究。
 

     （1）纖維的烘干和熱處理
 

       玻璃纖維表面含有水分，不僅影響樹脂基材和玻璃纖維之間的粘結(jié)性能，同時(shí)將引起應(yīng)力腐蝕，并使微裂紋等缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使制品強(qiáng)度和耐老化行下降。因此，玻璃纖維在使用前最好經(jīng)過烘干處理。
 

       當(dāng)用石蠟型浸潤劑的纖維纏繞時(shí)，使用前應(yīng)先除蠟，以便提高纖維和樹脂基材之間的粘結(jié)性能。
 

     （2）玻璃纖維浸膠含量的分布
 

       在玻璃纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，浸潤劑起著不可替代的關(guān)鍵作用。浸潤劑含量是玻璃纖維成品紗中一項(xiàng)重要的理化指標(biāo)，它不僅直接影響成品紗的外觀質(zhì)量，而且更會影響成品紗的性能質(zhì)量。浸潤劑含量過低，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的毛絲、散絲等現(xiàn)象，并顯著降低纖維的抗拉強(qiáng)度;浸潤劑含量過高，雖然在一定程度上會提高纖維的抗拉強(qiáng)度，但一般會降低纖維在樹脂中的浸透速率，影響纖維與基體的界面結(jié)合程度。此外，浸潤劑還是玻璃纖維工業(yè)中成本價(jià)格比例較高的主要原料之一，成品紗的浸潤劑含量越高，其生產(chǎn)成本越大，因而會降低經(jīng)濟(jì)效益。由此看來，玻璃纖維的生產(chǎn)要想同時(shí)達(dá)到既降低生產(chǎn)成本而又提高產(chǎn)品質(zhì)量，就必須加強(qiáng)對浸潤劑含量的控制。在現(xiàn)行玻璃纖維行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對成品紗的浸潤劑含量指標(biāo)要求為0.5%-2%，這只是在玻璃纖維沒有品種分類、浸潤劑技術(shù)指標(biāo)參差不齊情況下概括性的大范圍全容標(biāo)準(zhǔn)。隨著玻璃纖維分類的細(xì)化、浸潤劑技術(shù)的發(fā)展，各廠家在實(shí)際生產(chǎn)中都對某一種類玻璃纖維或某一浸潤劑配方都有一個(gè)相對較小的控制范圍，以利于生產(chǎn)的穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。一般纏繞型、拉擠型等紗的浸潤劑含量大致在0.5%-0.9%范圍內(nèi)，而紡織型紗大多在1%以上。
 

       纖維膠含量是在纖維浸膠過程中進(jìn)行控制的。浸膠過程可分為兩個(gè)階段，首先是樹脂膠液涂敷在增強(qiáng)纖維表面，之后膠液向增強(qiáng)纖維內(nèi)部擴(kuò)散和滲透。這兩個(gè)階段常常是同時(shí)進(jìn)行的，纏繞工藝的浸膠通常采用浸漬法和膠輥接觸法，如下如所示：

 

                                                                      圖（a）                                              圖（b）

     （4）纏繞張力
 

       纏繞張力是纏繞工藝的重要參數(shù)。張力大小、各束纖維之間張力的均勻性以及個(gè)纏繞層之間纖維張力的均勻性，對制品力學(xué)性能、密實(shí)度和含膠量有較大影響。
 

     （5）固化制度和環(huán)境溫度
 

       玻璃鋼固化有常溫固化和加熱固化兩種，這由樹脂體系決定。固化制度是保證制品充分固化的重要條件。直接影響玻璃鋼制品的物理性能和其他性能。對不同性能要求的玻璃鋼制品，即使采用相同的樹脂系統(tǒng)，固化制度也不完全一樣，不同樹脂系統(tǒng)的固化制度不一樣。對各種樹脂配方?jīng)]有一個(gè)廣泛適用的固化制度，只能根據(jù)不同樹脂的配方、制品的性能要求，并考慮制品的形狀、尺寸、及構(gòu)造情況，通過實(shí)驗(yàn)確定出合理的固化制度，才能提高制品的質(zhì)量。
 

       樹脂系統(tǒng)的粘度隨著溫度的降低而增加。為了保證膠紗在制件上進(jìn)一步浸漬，要求纏繞制品的周圍溫度高于15度。用紅外線加熱制品表面，其溫度在40度左右，這樣可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。
 

       3.纏繞成型工藝中常見缺陷及解決辦法
 

       3.1 國產(chǎn)先進(jìn)復(fù)合材料無法完全滿足纏繞成型制造的需求
 

       我國先進(jìn)復(fù)合材料存在的問題為：生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量差、價(jià)格高、應(yīng)用基礎(chǔ)研究薄弱等。深層次上表現(xiàn)為原材料供應(yīng)的“瓶頸”效應(yīng)，即國產(chǎn)復(fù)合材料的性能、質(zhì)量、規(guī)格、價(jià)格以及供貨能力等方面達(dá)不到高性能鋪放成型制品的要求，

無法滿足國防、航空航天及民用領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的迫切需要。國外預(yù)測我國將成為最大的復(fù)合材料制造商和用戶，需求量將占世界的1/4?；趶?fù)合材料的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性特點(diǎn)，從源頭解決好復(fù)合材料的供應(yīng)問題，才能使我國纏繞、成型制造技術(shù)的快速發(fā)展成為可能。
 

       3.2低成本復(fù)合材料纏繞成型制造技術(shù)
 

       復(fù)合材料纏繞成型普遍存在制造成本問題。在纏繞成型過程中，所用設(shè)備專一，制造工藝復(fù)雜。要使復(fù)合材料纏繞成型制造真正進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化階段，還需作更深一步的研究，發(fā)展制造過程優(yōu)化及工藝控制技術(shù)，降低制造成本，拓展纏繞成型制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
 

       3.3復(fù)合材料纏繞成型制造技術(shù)的相關(guān)理論與方法

       通過對復(fù)合材料纏繞成型制造技術(shù)數(shù)十年的研究和成功應(yīng)用，人們對其有了更深刻的認(rèn)識。近年來，歐美等發(fā)達(dá)國家纏繞、鋪放成型制造技術(shù)在航空、航天及民用領(lǐng)域的大量應(yīng)用，這其中的原因是多方面的，科學(xué)合理的理論與方法是其中的重要因素之一。鑒于此，我國需要建立并不斷完善纏繞成型制造技術(shù)的相關(guān)理論與方法。
 

       3.4復(fù)合材料纏繞成型制品的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。
 

      將復(fù)合材料纏繞、鋪放成型制品規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，使試驗(yàn)和分析更好地結(jié)合起來，形成生產(chǎn)和評價(jià)的統(tǒng)一指標(biāo)，可促進(jìn)全行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，顯著改進(jìn)制品的一致性。建立復(fù)合材料纏繞、鋪放成型制品有效性能實(shí)驗(yàn)表征與評價(jià)體系，定量化評價(jià)成型制品的可靠性和安全性，對于減少風(fēng)險(xiǎn)，降低成本有著不可忽視的作用。
 

      3.5 工藝過程的檢驗(yàn)與管理
 

      CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結(jié)合，有助于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、減少廢品率、提高制品的質(zhì)量，提高自動(dòng)化水平及生產(chǎn)柔性。國內(nèi)外均有一些實(shí)用化的軟件問世，但與傳統(tǒng)CAD/CAM技術(shù)相比，復(fù)合材料成型CAD/CAM技術(shù)的研究才剛剛起步，研究成果有限。