碳纖維成型工藝之纏繞成型

纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續纖維（或布帶、預浸紗）按照一定規律纏繞到芯模上，然後經固化、脫模，獲得製品。根據纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。　　（1）干法纏繞 干法纏繞是採用經過預浸膠處理的預浸紗或帶，在纏繞機上經加熱軟化至粘流態後纏繞到芯模上。由於預浸紗（或帶）是專業生產，能嚴格控制樹脂含量（精確到2%以內）和預浸紗質量。因此，干法纏繞能夠準確地控制產品質量。干法纏繞工藝的最大特點是生產效率高，纏繞速度可達100～200m/min，纏繞機清潔，勞動衛生條件好，產品質量高。其缺點是纏繞設備貴，需要增加預浸紗製造設備，故投資較大此外，干法纏繞製品的層間剪切強度較低。　　（2）濕法纏繞 濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠後，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優點為：①成本比干法纏繞低40%；②產品氣密性好，因為纏繞張力使多餘的樹脂膠液將氣泡擠出，並填滿空隙；③纖維排列平行度好；④濕法纏繞時，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；⑤生產效率高（達200m/min）。濕法纏繞的缺點為：①樹脂浪費大，操作環境差；②含膠量及成品質量不易控制；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後，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘乾設備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預浸膠工序和設備；與濕法相比，可使製品中的氣泡含量降低。　　三種纏繞方法中，以濕法纏繞應用最為普遍；干法纏繞僅用於高性能、高精度的尖端技術領域。　　纖維纏繞成型的優點 ①能夠按產品的受力狀況設計纏繞規律，使能充分發揮纖維的強度；②比強度高：一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質容器相比，重量可減輕40～60%；③可靠性高：纖維纏繞製品易實現機械化和自動化生產，工藝條件確定後，纏出來的產品質量穩定，精確；④生產效率高：採用機械化或自動化生產，需要操作工人少，纏繞速度快（240m/min），故勞動生產率高；⑤成本低：在同一產品上，可合理配選若干種材料（包括樹脂、纖維和內襯），使其再複合，達到最佳的技術經濟效果。　　纏繞成型的缺點 ①纏繞成型適應性小，不能纏任意結構形式的製品，特別是表面有凹的製品，因為纏繞時，纖維不能緊貼芯模表面而架空；②纏繞成型需要有纏繞機，芯模，固化加熱爐，脫模機及熟練的技術工人，需要的投資大，技術要求高，因此，只有大批量生產時才能降低成本，才能獲得較的的技術經濟效益。　　1、原材料　　纏繞成型的原材料主要是纖維增強材料、樹脂和填料。 　　（1）增強材料 纏繞成型用的增強材料，主要是各種纖維紗：如無鹼玻璃纖維紗，中鹼玻璃纖維紗，碳纖維紗，高強玻璃纖維紗，芳綸纖維紗及表面氈等。　　（2）樹脂基體 樹脂基體是指樹脂和固化劑組成的膠液體系。纏繞製品的耐熱性，耐化學腐蝕性及耐自然老化性主要取決於樹脂性能，同時對工藝性、力學性能也有很大影響。纏繞成型常用樹脂主要是不飽和聚酯樹脂，也有時用環氧樹脂和雙馬來醯亞胺樹脂等。對於一般民用製品如管、罐等，多採用不飽和聚酯樹脂。對力學性能的壓縮強度和層間剪切強度要求高的纏繞製品，則可選用環氧樹脂。航天航空製品多採用具有高斷裂韌性與耐濕性能好的雙馬來醯亞胺樹脂。　　（3）填料 填料種類很多，加入後能改善樹脂基體的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收縮率等。在膠液中加入空心玻璃微珠，可提高製品的剛性，減小密度降低成本等。在生產大口徑地埋管道時，常加入30%石英砂，藉以提高產品的剛性和降低成本。為了提高填料和樹脂之間的粘接強度，填料要保證清潔和表面活性處理。　　2、芯模　　成型中空製品的內模稱芯模。一般情況下，纏繞製品固化後，芯模要從製品內脫出。　　芯模設計的基本要求 ①要有足夠的強度和剛度，能夠承受製品成型加工過程中施加於芯模的各種載荷，如自重、製品重，纏繞張力，固化應力，二次加工時的切削力等；②能滿足製品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；③保證產品固化後，能順利從製品中脫出；④製造簡單，造價便宜，取材方便。　　芯模材料 纏繞成型芯模材料分兩類：熔、溶性材料和組裝式材料。熔、溶性材料是指石蠟，水溶性聚乙烯醇型砂，低熔點金屬等，這類材料可用澆鑄法製成空心或實心芯模，製品纏繞成型後，從開口處通入熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從製品中流出，流出的溶體，冷卻後重複使用。組裝式芯模材料常用的有鋁、鋼、夾層結構、木材及石膏等。另外還有內襯材料，內襯材料是製品的組成部分，固化後不從製品中取出，內襯材料的作用主要是防腐和密封，當然也可以起到芯模作用，屬於這類材料的有橡膠、塑料、不鏽鋼和鋁合金等。　　3、纏繞機　　纏繞機是實現纏繞成型工藝的主要設備，對纏繞機的要求是：①能夠實現製品設計的纏繞規律和排紗準確；②操作簡便；③生產效率高；④設備成本低。 　　纏繞機主要由芯模驅動和繞絲嘴驅動兩大部分組成。為了消除繞絲嘴反向運動時纖維松線，保持張力穩定及在封頭或錐形纏繞製品紗帶布置精確，實現小纏繞角（0°～15°）纏繞，在纏繞機上設計有垂直芯軸方向的橫向進給（伸臂）機構。為防止繞絲嘴反向運動時紗帶轉擰，伸臂上設有能使繞絲嘴翻志的機構。　　我國60年代研製成功鏈條式纏繞機，70年代引進德國WE-250數控纏繞機，改進後實現國產化生產，80年代後我國引進了各種型式纏繞機40多台，經過改進後，自己設計製造成功微機控制纏繞機，並進入國際市場。　　機械式纏繞機類型　　（1）繞臂式平面纏繞機 其特點是繞臂（裝有繞絲嘴）圍繞芯模做均勻旋轉運動，芯模繞自身軸線作均勻慢速轉動，繞臂（即繞絲嘴）每轉一周，芯模轉過一個小角度。此小角度對應纏繞容器上一個紗片寬度，保證紗片在芯模上一個緊挨一個地布滿容器表面。芯模快速旋轉時，繞絲嘴沿垂直地面方向緩慢地上下移動，此時可實現環向纏繞，使用這種纏繞機的優點是，芯模受力均勻，機構運行平穩，排線均勻，適用於干法纏繞中小型短粗筒形容器。　　（2）滾翻式纏繞機 這種纏繞機的芯模由兩個搖支承，纏繞時芯模自身軸旋轉，兩臂同步旋轉使芯模翻滾一周，芯模自轉一個與紗片寬相適應的角度，而纖維紗由固定的伸臂供給，實現平面纏繞，環向纏繞由附加裝置來實現。由於滾翻動作機構不宜過大，故此類纏繞機只適用於小型製品，且使用不廣泛。　　（3）卧式纏繞機 這種纏繞機是由鏈條帶動小車（繞絲嘴）作往複運動，並在封頭端有瞬時停歇，芯模繞自身軸作等速旋轉，調整兩者速度可以實現平面纏繞、環向纏繞和螺旋纏繞，這種纏繞機構造簡單，用途廣泛，適宜於纏繞細長的管和容器。　　（4）軌道式纏繞機 軌道式纏繞機分立式和卧式兩種。紗團、膠槽和繞絲嘴均裝在小車上，當小車沿環形軌道繞芯模一周時，芯模自身轉動一個紗片寬度，芯模軸線和水平面的夾角為平面纏繞角α。從而形成平面纏繞型，調整芯模和小車的速度可以實現環向纏繞和螺旋纏繞。軌道式纏繞機適合於生產大型製品。　　（5）行星式纏繞機 芯軸和水平面傾斜成α角（即纏繞角）。纏繞成型時，芯模作自轉和公轉兩個運動，繞絲嘴固定不動。調整芯模自轉和公轉速度可以完成平面纏繞、環向纏繞和螺旋纏繞。芯模公轉是主運動，自轉為進給運動。這種纏繞機適合於生產小型製品。　　（6）球形纏繞機 球形纏繞機有4個運動軸，球形纏繞機的繞絲嘴轉動，芯模旋轉和芯模偏擺，基本上和搖臂式纏繞機相同，第四個軸運動是利用繞絲嘴步進實現紗片纏繞，減少極孔外纖維堆積，提高容器臂厚的均勻性。芯模和繞絲嘴轉動，使纖維布滿球體表面。芯模軸偏轉運動，可以改變纏繞極孔尺寸和調節纏繞角，滿足製品受力要求。　　（7）電纜式縱環向纏繞機 縱環向電纜式纏繞機適用於生產無封頭的筒形容器和各種管道。裝有縱向紗團的轉環與芯模同步旋轉，並可沿芯模軸嚮往復運動，完成縱向紗鋪放，環向紗裝在轉環兩邊的小車上，當芯模轉動，小車沿芯模軸向作往複運動時，完成環向紗纏繞。根據管道受力情況，可以任意調整縱環向紗數量比例。 　　（8）新型纏管機 新型纏管機與現行纏繞機的區別在於，它是靠管芯自轉，並同時能沿管長方向作往複運動，完成纏繞過程。這種新型纏繞機的優點是，繞絲嘴固定，為工人處理斷頭、毛絲以及看管帶來很大方便；多路進紗可實現大容量進絲纏繞，纏繞速度快，布絲均勻，有利於提高產品重量和產量。纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續纖維（或布帶、預浸紗）按照一定規律纏繞到芯模上，然後經固化、脫模，獲得製品。根據纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。

　　（1）干法纏繞 干法纏繞是採用經過預浸膠處理的預浸紗或帶，在纏繞機上經加熱軟化至粘流態後纏繞到芯模上。由於預浸紗（或帶）是專業生產，能嚴格控制樹脂含量（精確到2%以內）和預浸紗質量。因此，干法纏繞能夠準確地控制產品質量。干法纏繞工藝的最大特點是生產效率高，纏繞速度可達100～200m/min，纏繞機清潔，勞動衛生條件好，產品質量高。其缺點是纏繞設備貴，需要增加預浸紗製造設備，故投資較大此外，干法纏繞製品的層間剪切強度較低。　　（2）濕法纏繞 濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠後，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優點為：①成本比干法纏繞低40%；②產品氣密性好，因為纏繞張力使多餘的樹脂膠液將氣泡擠出，並填滿空隙；③纖維排列平行度好；④濕法纏繞時，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；⑤生產效率高（達200m/min）。濕法纏繞的缺點為：①樹脂浪費大，操作環境差；②含膠量及成品質量不易控制；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後，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘乾設備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預浸膠工序和設備；與濕法相比，可使製品中的氣泡含量降低。　　三種纏繞方法中，以濕法纏繞應用最為普遍；干法纏繞僅用於高性能、高精度的尖端技術領域。　　纖維纏繞成型的優點 ①能夠按產品的受力狀況設計纏繞規律，使能充分發揮纖維的強度；②比強度高：一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質容器相比，重量可減輕40～60%；③可靠性高：纖維纏繞製品易實現機械化和自動化生產，工藝條件確定後，纏出來的產品質量穩定，精確；④生產效率高：採用機械化或自動化生產，需要操作工人少，纏繞速度快（240m/min），故勞動生產率高；⑤成本低：在同一產品上，可合理配選若干種材料（包括樹脂、纖維和內襯），使其再複合，達到最佳的技術經濟效果。　　纏繞成型的缺點 ①纏繞成型適應性小，不能纏任意結構形式的製品，特別是表面有凹的製品，因為纏繞時，纖維不能緊貼芯模表面而架空；②纏繞成型需要有纏繞機，芯模，固化加熱爐，脫模機及熟練的技術工人，需要的投資大，技術要求高，因此，只有大批量生產時才能降低成本，才能獲得較的的技術經濟效益。　　1、原材料　　纏繞成型的原材料主要是纖維增強材料、樹脂和填料。　　（1）增強材料 纏繞成型用的增強材料，主要是各種纖維紗：如無鹼玻璃纖維紗，中鹼玻璃纖維紗，碳纖維紗，高強玻璃纖維紗，芳綸纖維紗及表面氈等。　　（2）樹脂基體 樹脂基體是指樹脂和固化劑組成的膠液體系。纏繞製品的耐熱性，耐化學腐蝕性及耐自然老化性主要取決於樹脂性能，同時對工藝性、力學性能也有很大影響。纏繞成型常用樹脂主要是不飽和聚酯樹脂，也有時用環氧樹脂和雙馬來醯亞胺樹脂等。對於一般民用製品如管、罐等，多採用不飽和聚酯樹脂。對力學性能的壓縮強度和層間剪切強度要求高的纏繞製品，則可選用環氧樹脂。航天航空製品多採用具有高斷裂韌性與耐濕性能好的雙馬來醯亞胺樹脂。　　（3）填料 填料種類很多，加入後能改善樹脂基體的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收縮率等。在膠液中加入空心玻璃微珠，可提高製品的剛性，減小密度降低成本等。在生產大口徑地埋管道時，常加入30%石英砂，藉以提高產品的剛性和降低成本。為了提高填料和樹脂之間的粘接強度，填料要保證清潔和表面活性處理。　　2、芯模　　成型中空製品的內模稱芯模。一般情況下，纏繞製品固化後，芯模要從製品內脫出。　　芯模設計的基本要求 ①要有足夠的強度和剛度，能夠承受製品成型加工過程中施加於芯模的各種載荷，如自重、製品重，纏繞張力，固化應力，二次加工時的切削力等；②能滿足製品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；③保證產品固化後，能順利從製品中脫出；④製造簡單，造價便宜，取材方便。　　芯模材料 纏繞成型芯模材料分兩類：熔、溶性材料和組裝式材料。熔、溶性材料是指石蠟，水溶性聚乙烯醇型砂，低熔點金屬等，這類材料可用澆鑄法製成空心或實心芯模，製品纏繞成型後，從開口處通入熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從製品中流出，流出的溶體，冷卻後重複使用。組裝式芯模材料常用的有鋁、鋼、夾層結構、木材及石膏等。另外還有內襯材料，內襯材料是製品的組成部分，固化後不從製品中取出，內襯材料的作用主要是防腐和密封，當然也可以起到芯模作用，屬於這類材料的有橡膠、塑料、不鏽鋼和鋁合金等。　　3、纏繞機　　纏繞機是實現纏繞成型工藝的主要設備，對纏繞機的要求是：①能夠實現製品設計的纏繞規律和排紗準確；②操作簡便；③生產效率高；④設備成本低。　　纏繞機主要由芯模驅動和繞絲嘴驅動兩大部分組成。為了消除繞絲嘴反向運動時纖維松線，保持張力穩定及在封頭或錐形纏繞製品紗帶布置精確，實現小纏繞角（0°～15°）纏繞，在纏繞機上設計有垂直芯軸方向的橫向進給（伸臂）機構。為防止繞絲嘴反向運動時紗帶轉擰，伸臂上設有能使繞絲嘴翻志的機構。　　我國60年代研製成功鏈條式纏繞機，70年代引進德國WE-250數控纏繞機，改進後實現國產化生產，80年代後我國引進了各種型式纏繞機40多台，經過改進後，自己設計製造成功微機控制纏繞機，並進入國際市場。　　機械式纏繞機類型　　（1）繞臂式平面纏繞機 其特點是繞臂（裝有繞絲嘴）圍繞芯模做均勻旋轉運動，芯模繞自身軸線作均勻慢速轉動，繞臂（即繞絲嘴）每轉一周，芯模轉過一個小角度。此小角度對應纏繞容器上一個紗片寬度，保證紗片在芯模上一個緊挨一個地布滿容器表面。芯模快速旋轉時，繞絲嘴沿垂直地面方向緩慢地上下移動，此時可實現環向纏繞，使用這種纏繞機的優點是，芯模受力均勻，機構運行平穩，排線均勻，適用於干法纏繞中小型短粗筒形容器。　　（2）滾翻式纏繞機 這種纏繞機的芯模由兩個搖支承，纏繞時芯模自身軸旋轉，兩臂同步旋轉使芯模翻滾一周，芯模自轉一個與紗片寬相適應的角度，而纖維紗由固定的伸臂供給，實現平面纏繞，環向纏繞由附加裝置來實現。由於滾翻動作機構不宜過大，故此類纏繞機只適用於小型製品，且使用不廣泛。　　（3）卧式纏繞機 這種纏繞機是由鏈條帶動小車（繞絲嘴）作往複運動，並在封頭端有瞬時停歇，芯模繞自身軸作等速旋轉，調整兩者速度可以實現平面纏繞、環向纏繞和螺旋纏繞，這種纏繞機構造簡單，用途廣泛，適宜於纏繞細長的管和容器。　　（4）軌道式纏繞機 軌道式纏繞機分立式和卧式兩種。紗團、膠槽和繞絲嘴均裝在小車上，當小車沿環形軌道繞芯模一周時，芯模自身轉動一個紗片寬度，芯模軸線和水平面的夾角為平面纏繞角α。從而形成平面纏繞型，調整芯模和小車的速度可以實現環向纏繞和螺旋纏繞。軌道式纏繞機適合於生產大型製品。　　（5）行星式纏繞機 芯軸和水平面傾斜成α角（即纏繞角）。纏繞成型時，芯模作自轉和公轉兩個運動，繞絲嘴固定不動。調整芯模自轉和公轉速度可以完成平面纏繞、環向纏繞和螺旋纏繞。芯模公轉是主運動，自轉為進給運動。這種纏繞機適合於生產小型製品。　　（6）球形纏繞機 球形纏繞機有4個運動軸，球形纏繞機的繞絲嘴轉動，芯模旋轉和芯模偏擺，基本上和搖臂式纏繞機相同，第四個軸運動是利用繞絲嘴步進實現紗片纏繞，減少極孔外纖維堆積，提高容器臂厚的均勻性。芯模和繞絲嘴轉動，使纖維布滿球體表面。芯模軸偏轉運動，可以改變纏繞極孔尺寸和調節纏繞角，滿足製品受力要求。　　（7）電纜式縱環向纏繞機 縱環向電纜式纏繞機適用於生產無封頭的筒形容器和各種管道。裝有縱向紗團的轉環與芯模同步旋轉，並可沿芯模軸嚮往復運動，完成縱向紗鋪放，環向紗裝在轉環兩邊的小車上，當芯模轉動，小車沿芯模軸向作往複運動時，完成環向紗纏繞。根據管道受力情況，可以任意調整縱環向紗數量比例。　　（8）新型纏管機 新型纏管機與現行纏繞機的區別在於，它是靠管芯自轉，並同時能沿管長方向作往複運動，完成纏繞過程。這種新型纏繞機的優點是，繞絲嘴固定，為工人處理斷頭、毛絲以及看管帶來很大方便；多路進紗可實現大容量進絲纏繞，纏繞速度快，布絲均勻，有利於提高產品重量和產量。