航天复合材料成型工艺概述

《航天复合材料成型工艺概述》课程大

作业

题目：__碳纤维缠绕成型航天器储罐的工艺过程____________

姓名：________王志强_________

学号：_____1120830218________

授课教师：_______刘俊岩___________

哈尔滨工业大学航空宇航制造系

2016年4 月2 日

1、引言

碳纤维复合材料在航天、军工、电子、等等诸多领域都有着很广泛的应用。尤其是碳纤维复合材料杆件是航空航天结构中最重要的组成部分，常用于飞机和航天器的内部骨架以及发动机等零件的固定支架等。碳纤维复合材料的强度要高于铜，自身重量却小于铝，在与玻璃纤维相比，碳纤维还有高强度、高模量的特点，是非常优秀的增强型材料。它不仅可以对塑料、金属、陶瓷等材料进行增强。还可以作为新型的非金属材料进行应用，它的组要特点有；高强度、耐疲劳、抗蠕变、导电、高模量、抗高温、抗腐蚀、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能。此外，缠绕成型工艺是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，获得制品的工艺过程，具有比强度高、可靠性高、生产效率高、成本低等优点。本文对碳纤维缠绕成型航天器储罐的工艺过程进行介绍。

2、缠绕成型工艺过程

缠绕成型是将连续纤维浸树脂胶后按照预定角度缠绕到芯模上，然后得到成品。工艺优点是缠绕成形工艺效率高，可使制品最大限度地获得所要求的结构性能。碳纤维缠绕成型航天器储罐的工艺过程如图1。

图1 缠绕成型工艺过程

2.1缠绕成型

碳纤维缠绕成型可分为湿法缠绕和干法缠绕，其中湿法缠绕由于其成本较低、工艺性好，因此应用较为广泛，图2为湿法缠绕体系工艺图。湿法缠绕设备主要包括纤维架、张力控制设备、浸胶槽、吐丝嘴以及旋转芯模结构。国际上较先进的六维缠绕技术能够很好地控制纤维走向，实现环向缠绕、旋向缠绕以及平面缠绕相结合。实际生产中多采用旋向缠绕与环向缠绕相结合的方式，环向缠绕可消除气瓶受内压而产生的环向应力，旋向缠绕可提供纵向应力，提升气瓶整体性能。

图2湿法缠绕工艺图

纤维缠绕层的设计需要考虑纤维的各向异性，根据其结构要求，通常采用层板理论和网格理论来计算容器封头、内衬、纤维缠绕层的应力分布情况，进而确定缠绕工艺中张力选择与线型分布。通过环向缠绕与旋向缠绕交替进行实现多层次结构，选择适当纤维堆叠面积和纵向缠绕角度与旋向缠绕线型，不仅满足强度要求，同时使封头处能够合理铺覆。为了实现稳定缠绕，缠绕角度要使纤维在芯模表面落纱稳定且满足不打滑、不架空两方面的要求。给纤维施加一定的缠绕张力，在浸胶槽浸润树脂后，通过缠绕设备缠绕到芯模内衬上，最后通过烘箱旋转固化得到制品。

2.2芯模制备

碳纤维缠绕成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；②能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；③保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便。

缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇型砂，低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用。组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。

2.3缠绕机

缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两大部分组成。为了消除绕丝嘴反向运动时纤维松线，保持张力稳定及在封头或锥形缠绕制品纱带布置精确，实现小缠绕角（0°～15°）缠绕，在缠绕机上设计有垂直芯轴方向的横向进给（伸臂）机构。为防止绕丝嘴反向运动时纱带转拧，伸臂上设有能使绕丝嘴翻志的机构。

机械式缠绕机类型：（1）绕臂式平面缠绕机其特点是绕臂（装有绕丝嘴）围绕芯模做均匀旋转运动，芯模绕自身轴线作均匀慢速转动，绕臂（即绕丝嘴）每转一周，芯模转过一个小角度。此小角度对应缠绕容器上一个纱片宽度，保证纱片在芯模上一个紧挨一个地布满容器表面。芯模快速旋转时，绕丝嘴沿垂直地面方向缓慢地上下移动，此时可实现环向缠绕，使用这种缠绕机的优点是，芯模