缠绕成型(1)

干 法 张力控制 缠 绕 加热粘流 成 纵、环向缠绕 型 工 艺
胶纱纱锭
1.1
缠绕工艺流程图
成品
缠绕成型工艺
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类 浸 胶 缠 绕
缠绕成型工艺
1.1.1 干法缠绕
将预浸纱带(或预浸布)，在缠绕 机上经加热软化至粘流状态并缠绕到 芯模上的成型工艺过程。
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
1.3 原 材 料
OH O
HOH2C
CH2OH
+
O
H
OH
H C
H C
H
OH CH2OH
CH2OH
OH
CH2OH
HOH2C
CH2OH
CH2OH
缠绕成型工艺
OH
+
CH2OH
H 2O
HOH2C CH2OH OH
CH2OH2C HO
CH2OH OH
CH2O
CH2 HO CH2OH OH
1.3 原 材 料
CH2OH HO
2 芯 模
1.2 结构形式
1.3 芯模设计
缠绕成型工艺
2.1 芯模材料
外形同制品内腔形状尺寸一致
芯 模 材 料
(1)足够的强度和刚度。制造过程中要求芯模能 够保证制品的结构尺寸及承受张力、固化热应 力的载荷等。 (2)必须满足制品的精度要求。 (3)制作工艺简单、周期短，材料来源广，价格 低。 (4)制品完成后，要求芯模能顺利清除干净，而 不影响制品质量。
1.1 纤 维 缠 绕 制 品 的 优 点
缠绕成型工艺
（2）可靠性高
1.1 纤 维 缠 绕 制 品 的 优 点
（3）生产效率高 制品质量高而稳定，可实现机 械化、自动化操作，生产效率 高，便于大批量生产。 （4）材料成本低 所用增强材料大多是无捻粗纱 等连续纤维，减少了纺织和其 它加工费用，材料成本低。
1.3 原 材 料
缠绕成型工艺
1.4 缠绕设备
微机控制器
缠绕机构
1.4 缠 绕 设 备
张力控制器
卧式缠绕机 立式缠绕机
纱 架
浸胶槽
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备
卧式缠绕机
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备
卧式缠绕机
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备
卧式缠绕机
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备
缠绕成型工艺
2.2.3 石膏隔板组合式芯模
优点：
成型工艺简单、 成本低，适用 于大型芯模， 尺寸精度高
2.2 芯 模 结 构 形 式
缠绕成型工艺
1 概述
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
1.1 纤维缠绕工艺的分类
缠绕工艺：
将浸过树脂胶液的连续纤维或布带， 按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱 模成为复合材料制品的工艺过程。 决定产品形状的模具
缠绕成型工艺
小车 芯模 张力控制器 绕线筒 预浸槽 吐丝嘴
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
2.1 芯 模 材 料
缠绕成型工艺
石膏芯模同金属材料相比优缺点：
优点：
价格低廉；成型工艺简单，容易成型 各种复杂形状；特别是不宜进行机械加工 的大型制品更为适宜；脱模容易。 缺点：
2.1 芯 模 材 料
强度低，导热系数 差。特别是在高温 下强度降低并放出 水分。
缠绕成型工艺
2.1.3 选择芯模材料应注意的问题
(1) 选定芯模材料应根据制品的生产批量、尺 寸形状及性能要求来确定； (2) 芯模材料不为树脂腐蚀，不能影响树脂系 统固化； (3) 多孔性材料有吸湿性，使用前必须烘干； (4) 为保证缠绕制品尺寸均匀，芯模材料的成 分亦应均匀。
2.1 芯 模 材 料
缠绕成型工艺
2.2 芯模的结构形式
2.2.1 实心或空心整体式芯模 将其熔化用铸造法 浇铸成壳体，脱模 时加入热水溶解。
特点：
不需要预浸渍设备，设备投资少；对材 料要求不严，便于选材；纱片质量不易控制 和检验；张力不易控制；胶液中存在大量溶 剂，固化时易产生气泡；浸胶辊、张力辊等 要经常维护刷洗。
缠绕成型工艺
1.1.3 半干法缠绕
将无捻粗纱(或布带)浸胶后，随即预烘干， 然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。 特点： 与湿法相比，增加了烘干工序，除 去了溶剂。与干法相比，无需整套的预 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。
CH2 O CH CH2 O
+
CH2 O
CH CH2Cl
碱
CH3 C CH3 O CH2 CH CH2 OH O
n
CH3 C CH3 CH2 CH CH2 O
缠绕成型工艺
酚醛－环氧树脂(环氧改性酚醛树脂)。 酚类化合物与醛类化合物缩聚而得的树脂，一 般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂， 它是最早合成的一类热固性树脂。
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
大型运载火箭的燃料箱
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
缠绕复合材料压力容器在航空、航天、造 船等领域获得广泛应用。碳纤维和芳纶纤维缠 绕的薄壁金属内衬高压容器结构效率高、性价 比高，是航天飞机和人造地球卫星的首选。充 装介质有氮气、氧气、氢气和氦气，形状多为 环形、球形和扁椭球形。
缠绕成型工艺及应用
授 课 人：刘东雷(博士）
单
系
位：南昌大学机电工程学院
所：材料成型系
高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室
目 录

概述 芯模 缠绕规律 缠绕成型工艺 课后作业
缠绕成型工艺
1 概述
学习内容
1.1 分类
1 概 述
1.2 特点 1.3 原材料 1.4 应用领域 1.5 缠绕设备
O
OH
1.3 原 材 料
H C
H
苯酚
甲醛
缠绕成型工艺
热塑性酚醛树脂 以酸类为催化剂，酚和醛的比例大于1， 在合成过程中不会形成三向网络结构，在进一步的固化过 程中必须加入固化剂。可溶、可熔，分子内不含羟甲基。
OH O
2
OH
OH CH2
+
OH
H C H
H
+
H2O
1.3 原 材 料
或
HO
OH CH2 CH2
(5) 各股纤维张力均匀； (6) 成带性好，不起毛，不断头。
缠绕成型工艺
（2）树脂体系 树脂及各种助剂、填料等 常用：
不饱和聚酯树脂，环氧树脂 ( 双酚 A 型 )、 酚醛－环氧树脂(环氧改性酚醛树脂)。 O
C O
1.3
原 不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键,由不饱和二元羧酸或 材 料 酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和
（1）增强材料
主要是中碱、无碱粗纱。另外有玻璃布带、碳纤维、 芳纶纤维等。应根据不同产品对性能的要求进行选用。 选用要求： (1) 航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的碳纤 维和芳纶纤维，民用产品多选用连续玻璃纤维；
1.3 原 材 料
(2) 满足制品的性能要求；
改善与树脂基体的 (3) 纤维都必须进行表面处理； 浸润性和粘附性 (4) 与树脂浸渍性好，浸透速度快；
2.1
缠绕成型工艺
2.1 芯模材料
2.1.1 常用材料 主要是钢材、木材、塑料、铝、石膏、水泥、 低熔点金属、低熔点盐类等
2.1 芯 模 材 料
国外较多用，制造芯模时将 其熔化浇铸成壳体，脱模时加入 热水搅拌溶解或用蒸汽熔化。
缠绕成型工艺
2.1.2 芯模材料对制品的影响
膨胀系数影响产品尺寸精度； 弹性模量影响产品力学性能及尺寸精度； 导热系数影响产品固化度； 芯模中水份影响产品固化，甚至引起分层开裂。
2.2 芯 模 结 构 形 式
加热熔化铸造成 空心壳体，脱模 时采用蒸汽熔化
采用易敲碎的材料; 可溶或易熔盐类； 低熔点金属； 由可溶或易熔粘结剂粘起来的集合体。
缠绕成型工艺
2.2.2 组合式芯模
分瓣式
采用弓形铝合金片 构成回转体，外表 面涂刮一层石膏层
2.2 芯 模 结 构 形 式
隔板式 捆扎式 采用石膏隔板支撑 金属细管，捆扎后 外表刮石膏，封头 亦用石膏制作 用金属管捆扎 成芯模，外表 层刮石膏 框架装配式 全部采用金属 构件装配，外 表层刮石膏
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
缠绕成型工艺
缠绕工艺的现状及发展
发展方向：高性能材料和功能材料，主要用于高 科技领域；军工使用转向民用；提高自动控制水 平，提高生产效率；降低生产成本。
作业：
1、干法缠绕、湿法缠绕的特点分别是什么？
2、缠绕制品比强度高的原因是什么？
缠绕成型工艺
2 芯模
学习内容
2.1 芯模材料
军工方面： 航空、航天、导弹（发动机壳体、 高压容器、导弹发射筒等）。
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
发动机壳体
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
大型运载火箭的燃料箱
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
大型运载火箭的燃料箱
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
大型运载火箭的燃料箱
不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。
不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定 量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之 为不饱和聚酯树脂。
缠绕成型工艺
环氧树脂(双酚A型)
CH2 O
CH
分子结构以分子链中含有活泼的环氧基团为特征
CH3 HO C CH3 OH
1.3 原 材 料
H 2O
+
CH2OH OH
缠绕成型工艺
热塑性酚醛树脂与热固性酚醛树脂能相互转化
热塑性酚醛树脂 甲醛处理 酸性介质 苯酚处理 热固性酚醛树脂
1.3 原 材 料
缠绕成型工艺
选用要求 ①考虑制品的性能要求，如强度、 耐热、耐老化性等； ②工艺性好，对玻璃纤维有良好 的粘结和浸润性，粘度低，固化 温度不高； ③断裂延伸率与纤维匹配； ④固化收缩率低并毒性小; ⑤来源广泛，价格低。
纤维缠绕玻璃钢罐槽塔
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
玻璃钢缠绕贮罐
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
源自文库
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
纤维缠绕轴承
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
缠绕成型工艺
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
缠绕成型工艺
1.2 纤维缠绕制品的优点
（1）比强度高 原因： (i) 材料表面缺陷是影响其强度的重要因素。表面积越大， 缺陷率越高。缠绕纤维直径很细，降低了微裂纹存在几率； 所用纤维主要是无捻粗纱由于没有经过纺织工序，强度损 失大大减少。 (ii) 避免了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中 (iii) 可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构 (ⅳ) 增强材料纤维含量高达80%
缠绕成型工艺
1.3 原材料
选择原则 产品的各项设计性能指标 缠绕制品的使 用性能要求 工艺性要求
1.3 原 材 料
纤维增强材料 树脂基体
经济性要求
缠绕成型工艺
（1）增强材料
主要是中碱、无碱粗纱。另外有玻璃布带、碳纤维、 芳纶纤维等。应根据不同产品对性能的要求进行选用。
1.3 原 材 料
缠绕成型工艺
干法缠绕特点：
制品质量稳定(预浸纱由专用预 浸设备制造，能较严格地控制纱带的 含胶量和尺寸)；缠绕速度快(100～ 200m/min); 缠绕设备清洁，劳动卫 生条件好；预浸设备投资大。
缠绕成型工艺
1.1.2 湿法缠绕
将无捻粗纱(或布带)经浸胶后直接缠绕到芯 模上的成型工艺过程。
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
卧式缠绕机
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备 立式缠绕机
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备 立式缠绕机
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备 缠绕机构
缠绕成型工艺
纱架
1.4 缠 绕 设 备
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备
浸胶槽
缠绕成型工艺
1.4 缠 绕 设 备
张力控制器
缠绕成型工艺
1.5 缠绕制品的应用
缠绕成型工艺
民用方面： 化工、石油、环保、建筑等领 域的管道、贮罐、压力容器等。
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
车用压缩天然气气瓶
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
车用压缩天然气气瓶
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
供养气瓶
缠绕成型工艺
1.5 缠 绕 制 品 的 应 用
OH CH2
OH
CH2 CH2 OH
OH CH2 OH CH2 OH
缠绕成型工艺
热固性酚醛塑料 甲醛过量，以酸或碱为催化剂，或甲醛虽 不过量，但以碱为催化剂，含有可进一步反应的羟甲基活 性基团，如果合成不加以控制，会使体型缩聚反应一直进 行至形成不熔、不溶的具有三向网络结构的固化树脂。
OH
OH
CH2OH
纤维缠绕工艺示意图
缠绕成型工艺
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
纤维缠绕工艺示意图
缠绕成型工艺
1.1 纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
纤维缠绕工艺示意图
缠绕成型工艺
胶液配制 纱团 湿 法 缠 绕 成 型 工 艺 集束 浸胶 烘干 络纱
纤 维 缠 绕 工 艺 的 分 类
张力控制 纵、环向缠绕 芯模制造 固化 脱模 打模喷漆