先進復合材料帶纏繞

1、先進復合材料帶纏繞、帶鋪放成型技術先進復合材料（Advanced CompositeMaterials，ACM）是指高性能樹脂基復合材料，即用碳纖維等高性能纖維增強的樹脂基復合材料，其綜合性能與鋁合金相當，但比剛度、比強度要高于鋁合金。隨著先進復合材料的持續(xù)快速發(fā)展，其應用價值日益顯著，在提高航天產(chǎn)品技術性能方面，復合材料的應用優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在作為輕質化的結構材料，更體現(xiàn)在作為滿足各種應用需求的先進功能材料，以及代表復合材料技術高層次發(fā)展的結構/功能一體化和多項功能一體化的高新技術材料。復合材料的廣泛應用，在很大程度上取決于復合材料成型工藝。各種低成本制造技術應運而生，纖維縫合技術、樹脂轉移模塑

2、成型技術（RTM）、樹脂膜滲透成型技術（RFI）、低成本模具技術、低溫低壓固化技術、電子束固化技術、纏繞技術、鋪放技術等得到迅速發(fā)展和應用。其中，纏繞、鋪放技術是近年來發(fā)展最快、最有效的復合材料成型制造技術。纏繞技術是指在控制張力和預定線型的條件下，將預浸膠纖維或布帶連續(xù)地纏繞在相應于制品內(nèi)腔尺寸的芯?；騼?nèi)襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。 圖1 自動鋪帶頭鋪放技術是指通過使用鋪放設備按照一定規(guī)律把預浸膠纖維或布帶鋪放到模具表面，并用壓緊輥壓實。帶纏繞、帶鋪放則專指以預浸膠布帶為材料的復合材料纏繞、鋪放成型技術。目前，全世界已有多種類型的纏繞、鋪放設備投入項目研制和實際

3、生產(chǎn)（見圖1和圖2）。纏繞、鋪放技術在降低制造成本和提高復合材料性能方面顯示出極大的優(yōu)越性和潛力。 圖2 自動纖維鋪放機帶纏繞、帶鋪放成型及其優(yōu)勢 1 帶纏繞成型 帶纏繞成型技術是20世紀30年代發(fā)展起來的、最早的復合材料自動化成型技術。隨著材料工藝技術、裝備技術和設計理論與方法的進步，帶纏繞成型技術快速發(fā)展。第一臺纏繞機于1947年在美國Kellog公司問世，隨后纏繞生產(chǎn)出第一臺火箭發(fā)動機殼體，直徑5英寸（12.7cm），長5英尺（152.4cm）。20世紀50年代美國宇航局和空軍材料研究室用纏繞工藝成功研制出“北極星A3”導彈發(fā)動機殼體，在質量減輕1/2、射程提高1倍多的情況下，成本僅為鈦

4、合金的1/10，從而奠定了纏繞成型工藝在尖端軍用產(chǎn)品制造中的重要地位。 2 帶纏繞成型的優(yōu)點 帶纏繞成型技術通過力學設計，充分發(fā)揮布帶拉伸強度高的特性，實現(xiàn)承受內(nèi)/外壓、彎曲、扭轉、軸向載荷等情況下產(chǎn)品的制造。與其他成型工藝相比，帶纏繞成型制品具有以下特點： （1）比強度高。 帶纏繞成型的復合材料制品，其比強度比鋼高3倍，比鈦高4倍。這是由于纏繞所采用布帶的纖維束具有很高的拉伸強度，甚至高于合金鋼。同時纖維束的直徑很細，其表面微裂紋的尺寸和數(shù)量較小，從而減少了應力集中，使得布帶具有較高的強度。 （2）實現(xiàn)等強度結構。 帶纏繞成型可使制品結構在不同方向的強度比最佳。也就是說，在纏繞結構的任何方向

5、上，均可使設計制品的材料強度與該制品實際承受的強度基本一致，使制品實現(xiàn)等強度結構。 （3）成本低。 帶纏繞成型是各種復合材料成型方法中機械化、自動化程度較高的一種，大大提高了生產(chǎn)效率。而該工藝采用的原料（預浸膠布帶），可批量生產(chǎn)，且浸膠方便，加工費用較低。因此相對降低了復合材料制品的成本。 3 帶鋪放成型 為解決機翼、壁板構件等大尺寸、中小曲率部件的復合材料成型，帶鋪放成型技術應運而生。第一臺計算機控制的全自動鋪帶機由General Dynamics公司和Conrac公司合作完成，用于鋪放F16戰(zhàn)斗機的復合材料機翼部件4。隨著大型運輸機、轟炸機和商用飛機復合材料用量的增加，帶鋪放成型技術應用越

6、來越廣泛，鋪帶機技術也日益完備，目前帶有雙超聲切割刀和縫隙光學探測器的十軸鋪帶機已經(jīng)成為標準配置，鋪帶寬度最大達到300mm，生產(chǎn)效率達到1000kg/周，是手工鋪疊的數(shù)10倍。 4 帶鋪放成型的優(yōu)點 與其他成型工藝相比，帶鋪放成型技術具有很大的優(yōu)勢。 （1）采用預浸膠布帶和低張力，不存在穩(wěn)定性的約束，帶鋪放成型技術可根據(jù)設計要求選擇鋪層方向； （2）按照制件的模具形狀鋪放布帶，減少了原材料廢邊料，節(jié)省了原材料成本； （3）采用壓輥裝置，既可以實現(xiàn)任意曲面的成型，又可以保證成型壓力自動可控，提高了制品質量； （4）鋪放設備具有多自由度，不僅可以制造復雜型面的復合材料構件，而且能對鋪層進行剪裁以

7、適應局部加厚/混雜、鋪層遞減以及開口鋪層等多方面的需要，滿足各種設計要求，從而最大可能地節(jié)約了原材料，而且具有精度高、速度快、質量穩(wěn)定、性能好等優(yōu)點； （5）帶鋪放技術多采用功能強大的控制系統(tǒng)，自動化程度高，可實現(xiàn)復合材料構件的快速制造，迅速形成批量生產(chǎn)。 帶纏繞、帶鋪放成型研究現(xiàn)狀及應用 1 帶纏繞成型技術研究現(xiàn)狀及應用 1.1 帶纏繞成型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀帶纏繞成型技術隨著計算機技術、信息技術、控制技術的發(fā)展，在功能方面不斷擴大。從國外來看，美國已將帶纏繞成型工藝應用于型號研制：MD-2固體火箭發(fā)動機噴管部件中的13個零件，“侏儒”導彈的發(fā)動機噴管都是通過纏繞成型；歐洲、日本也在航天器、武器

8、研制等領域廣泛地應用帶纏繞成型工藝：歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管，法國M51導彈的殼體，日本M-3S2、H-I、H-H火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復合材料。圖3所示為纏繞成型中的M51導彈殼體。 在國內(nèi)，我國自60年代就開始研制復合材料纏繞設備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設計院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及華中科技大學等單位先后研制出不同的復合材料纏繞成型設備。西工大通過自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機（見圖4），工作效率高，纏繞出的制品達到型號工藝要求，成為能夠滿足高性能發(fā)動機噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關鍵配套設備。但是，上述纏繞成型設備基本上都是針對型

9、面規(guī)則的回轉體零件研制開發(fā)的，對于諸如大飛機的機翼、機身、風電葉片等大型非規(guī)則復雜結構件無法實現(xiàn)纏繞成型。 西工大自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機1.2 帶纏繞成型的應用 帶纏繞成型技術在風力發(fā)電機組上的應用主要是葉片、機艙和導流罩的纏繞成型。葉片作為風力發(fā)電裝置最關鍵、最核心的部分，其材料和制造工藝將決定風力發(fā)電機組的性能和功率，也決定風力發(fā)電機組的成本。針對復合材料風電葉片的纏繞成型，德國、丹麥、美國等風能資源利用較好的國家在大型葉片的材料體系、外形設計、結構設計、工藝裝備等方面作了大量的研究開發(fā)工作，并取得了豐碩的成果。據(jù)報道，現(xiàn)今世界上最大風力發(fā)電機的裝機容量為5MW，旋轉直徑可達126

10、.3m。丹麥的LM公司為此裝備配套纏繞出了61.5m長的復合材料葉片，單片葉片的重量接近18t，成為世界最大的復合材料葉片“巨人”。這一實例成功地體現(xiàn)了材料、結構和工藝三者的完美結合。 作為可再生的清潔能源之一，我國已經(jīng)開始注重風能的開發(fā)和利用。在國家科技攻關項目和863項目的共同支持下，我國已基本掌握了風力發(fā)電機組及復合材料葉片的設計和制造技術；“十五”期間，將完成MW級風力發(fā)電機組的研制，為我國風電產(chǎn)業(yè)參與常規(guī)能源市場競爭奠定基礎。據(jù)最近的資料報道，到2020年，我國將投資2000億元用于風力發(fā)電建設，新增風力發(fā)電能力將達3000MW，并要求風力發(fā)電裝備本土化。為此，國內(nèi)的一些企業(yè)和研究機

11、構正在加緊研究開發(fā)1.5MW風力發(fā)電裝備和與之配套的大型復合材料葉片。國家對可再生清潔能源的支持，為復合材料風電葉片纏繞成型技術提供了難得的發(fā)展機會。 2 帶鋪放成型技術研究現(xiàn)狀及應用 2.1帶鋪放成型的研究現(xiàn)狀 歐美發(fā)達國家于20世紀70年代開始研究帶鋪放成型技術，并取得了很大進展，已開發(fā)出復合材料帶鋪放成型設備，如美國Vought飛機公司的大型CTLM鋪放機，該系統(tǒng)有2個鋪放頭，可同時鋪放2個不同部位，Vought公司目前正使用此系統(tǒng)生產(chǎn)軍用C-17運輸機的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲最早使用平面自動鋪帶機和曲面自動鋪帶機生產(chǎn)復合材料結構的公司，與手工鋪貼相比，CASA自動鋪帶

12、機具有很高的生產(chǎn)效率，一般是手工鋪貼的10倍。當用150mm寬預浸膠布帶作平面鋪放時，生產(chǎn)效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動鋪帶技術方面投入大量資金和人力，發(fā)展自動鋪帶技術生產(chǎn)B2轟炸機大型復合材料構件。近年來，波音公司也將自動鋪帶技術應用于其他項目，主要包括Navy A6轟炸機（復合材料機翼）、F-22戰(zhàn)斗機（機翼）和波音777民用飛機。波音777民用飛機的全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術制造。 目前，帶鋪放成型技術在我國尚處于起步階段，國內(nèi)復雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主，其生產(chǎn)效率低、鋪層質量不穩(wěn)定、材料利用率低、制造周期長、費用高，難以實現(xiàn)復雜的結構設計

13、要求，制約了我國航空航天制造技術的發(fā)展和水平的提高。由于復合材料帶鋪放成型技術對軍工事業(yè)和國防事業(yè)有著重大意義，歐美發(fā)達國家對我國嚴密封鎖，并限制高檔、精密和敏感復合材料成型工藝裝備對我國的出口，使我國無法走“引進、消化、吸收”的捷徑。國內(nèi)科研院所和企業(yè)一直致力于帶鋪放成型技術的研究，以打破發(fā)達國家對我國的技術壟斷，促進國防、航空航天事業(yè)的發(fā)展。 2.2 帶鋪放成型的應用 美國航空制造商大量應用帶鋪放成型技術生產(chǎn)B1、B2轟炸機的大型復合材料結構、F-22戰(zhàn)斗機機翼、波音777飛機機翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運輸機的水平安定面蒙皮等。歐洲生產(chǎn)的復合材料構件包括：A330和A340水平安

14、定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。 我國大飛機工程已經(jīng)立項，復合材料規(guī)劃用量初期要達到15%，后期將隨著材料與設計制造技術的成熟逐步擴大，最終的上限可能接近甚至超過現(xiàn)有波音787的復合材料用量水平10，帶鋪放成型技術是保證大飛機項目順利實施的關鍵技術之一。對于現(xiàn)階段復合材料用量15% 的目標，翼面壁板類構件將成為主導。對于20年研制周期的大飛機計劃，為進一步提高飛機性能，加大復合材料用量勢在必行，復合材料機身鋪放技術將成為后期的關鍵技術。 帶纏繞、帶鋪放成型技術的發(fā)展趨勢 隨著復合材料相關技術的發(fā)展，帶纏繞、鋪放成型技術呈現(xiàn)出多工藝復合化、成型設備精密化、CAD/C

15、AM技術應用日益增多、成型設備與機器人結合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術不斷應用的發(fā)展趨勢。 （1）將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結合，提高帶纏繞成型的工藝適應性。 由于帶鋪放可進行任意角度纏繞，還可在凹形表面纏繞，克服了纏繞工藝的不足；若將其與帶纏繞工藝結合起來，可解決某些結構類管狀構件的纏繞成型問題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學性能，已用于汽車司機駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結合制造的自潤滑多面滑動軸承具有卓越的摩擦學行為。 （2）將帶鋪放成型與電子束固化技術結合是目前研究的熱點3。 電子束固化可以大幅度地降低制造時間、材料消耗和能

16、源，是重要的低成本制造技術。傳統(tǒng)電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化，要求電子束的能量高（310MeV），不僅使加速器投資巨大，并且輻射防護的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年首先提出“逐層電子束固化”的思想，完成一層鋪疊后即實施電子束固化，只需0.5MeV電子束能量，并可以獲得良好的力學性能。帶鋪放成型與電子束固化技術結合的研究逐漸進入實用階段。 （3）為帶纏繞、帶鋪放成型設備配備精密張力控制系統(tǒng)，以提高制品成型精度。 在纏繞、鋪放成型過程中，張力與制品的強度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關系，對制品性能影響極大。國內(nèi)方面，西工大、哈工大等均在精密張力控制系統(tǒng)方面進行了大量研究

17、工作，并取得階段性成果；國外方面，法國已開發(fā)出一種用于粗紗的張力控制系統(tǒng)。 （4）CAD/CAM技術在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應用日益增多。 CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結合，有助于縮短產(chǎn)品設計周期、減少廢品率、提高制品的質量，提高自動化水平及生產(chǎn)柔性。國內(nèi)外均有一些實用化的軟件問世，但與傳統(tǒng)CAD/CAM技術相比，復合材料成型CAD/CAM技術的研究才剛剛起步，研究成果有限。 （5）將纏繞、鋪放成型設備與機器人相結合，增強成型設備的柔性及適用范圍。 機器人用于帶纏繞、帶鋪放成型，具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點，尤其適合小型復雜構件的纏繞、鋪放成型，如不對稱構件和雙凹

18、面構件等。歐美及加拿大正在研究開發(fā)機器人纏繞機，如比利時Leuven天主教大學用一臺PUMA-762機器人與兩軸數(shù)控纏繞機聯(lián)接，纏繞出多種零件 ；加拿大OTTAWA大學也用機器人成功纏繞了T 形管；德國AACHEN工業(yè)大學建成了一個復合材料柔性制造單元，己成功生產(chǎn)出機床主軸、飛機機身等零件。 （6）熱固性樹脂基復合材料成型向熱塑性樹脂基復合材料成型方向發(fā)展。 據(jù)統(tǒng)計，從1994年以來，熱塑性復合材料是同期熱固性復合材料增長的2倍。該高速增長可以用熱塑性樹脂基復合材料良好的機械性能、耐溫性能、介電常數(shù)及可循環(huán)性來解釋，尤其是它的可回收、可重復利用及不污染環(huán)境的特性適應了當今材料環(huán)保的發(fā)展方向。國

19、外已有杜邦、帝國化學、BASF和德國凱瑟斯路登大學等多家大公司和科研機構對熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝進行了研究和生產(chǎn)。國內(nèi)有北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點試驗室等少數(shù)機構對熱塑性預浸帶進行了纏繞試驗，并對制品性能進行了初步分析。目前國內(nèi)這種工藝尚處于初步開發(fā)的階段，發(fā)展空間較大。 （7）新型固化技術與在線固化監(jiān)測技術不斷出現(xiàn)。 紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術可縮短固化周期，減少殘余應力，提高復合材料的力學及物理性能，有利于降低成本。法國航空航天公司已對固體火箭發(fā)動機纏繞殼體的電子束固化技術進行了成功演示，其綜合性能優(yōu)于常規(guī)的加熱固化復合材料。此外，超聲技術以及光

20、纖傳感技術等均用于在線固化監(jiān)測過程。前蘇聯(lián)在殼體纏繞成型過程中采用了磁場中纏繞及固化的工藝方法，可使制品實現(xiàn)更為良好的固化效果。 帶纏繞、帶鋪放成型應用過程中存在的問題 經(jīng)過40余年的研究與發(fā)展，我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術的研究和應用已初具規(guī)模，形成具有航空、航天特色的復合材料技術體系，滿足不同型號航空航天產(chǎn)品的需求，為國防、航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻。復合材料垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前機身、艙門等構件已在多種型號飛機上使用，并可小批量生產(chǎn)。機身、機翼、直升機旋翼等在進行了大量基礎研究工作后，已裝機試飛成功，航空、航天復合材料已進入實際應用階段。盡管如此，我國復合材料的技術

21、基礎和應用水平與發(fā)達國家相比還有相當大的差距。我國目前正在大力發(fā)展載人航天、探月計劃、大飛機、新型戰(zhàn)斗機、風力發(fā)電等高新科技工程，其中火箭發(fā)動機殼體、噴管，大飛機機翼、機身，風電葉片等大型非規(guī)則結構件均需通過復合材料纏繞、鋪放成型實現(xiàn)，這也對復合材料纏繞、鋪放成型制造技術提出了更具挑戰(zhàn)的要求。為使復合材料纏繞、鋪放成型制造技術在航空、航天及民用領域更好地推廣應用，必須注意以下幾個方面的問題。 （1）國產(chǎn)先進復合材料無法完全滿足纏繞、鋪放成型制造的需求。 我國先進復合材料存在的問題為：生產(chǎn)規(guī)模小、質量差、價格高、應用基礎研究薄弱等。深層次上表現(xiàn)為原材料供應的“瓶頸”效應，即國產(chǎn)復合材料的性能、質

22、量、規(guī)格、價格以及供貨能力等方面達不到高性能鋪放成型制品的要求，無法滿足國防、航空航天及民用領域對復合材料的迫切需要。國外預測我國將成為最大的復合材料制造商和用戶，需求量將占世界的1/4?；趶秃喜牧系幕A性、先導性、戰(zhàn)略性特點，從源頭解決好復合材料的供應問題，才能使我國纏繞、鋪放成型制造技術的快速發(fā)展成為可能。 （2）低成本復合材料纏繞、鋪放成型制造技術。 復合材料纏繞、鋪放成型普遍存在制造成本問題。在纏繞、鋪放成型過程中，所用設備專一，制造工藝復雜。要使復合材料纏繞、鋪放成型制造真正進入到產(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，降低制造成本，拓展纏繞、鋪放成型制造技術的應用領域。 （3）復合材料纏繞、鋪放成型制造技術的相