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复合材料的成型工艺PPT课件
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另外，在缠绕的时候，所使用的芯模应 有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过 程中各种载荷（缠绕张力、固化时的热应力、 自重等），满足制品形状尺寸和精度要求以 及容易与固化制品分离等。
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常用的芯模材料有石膏、石蜡、金 属或合金、塑料等，也可用水溶性高分 材料，如以聚烯醇作粘结剂制成芯模。
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连续纤维缠绕技术的优点
首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度 高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等 强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维 抗张性能优异的特点，
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其次，用连续纤维缠绕技术所制得 的成品，结构合理，比强度和比模量高， 质量比较稳定和生产效率较高等。
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连续纤维缠绕技术的缺点
设备投资费用大，只有大批量生产时 才可能降低成本。
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连续纤维缠绕法适于制作承受一定 内压的中空型容器，如固体火箭发动机 壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、 大型贮罐、各种管材等。
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近年来发展起来的异型缠绕技术，可 以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈 矩形、方形以及不规则形状容器的成型。
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6. 拉挤成型工艺
拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂 胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置 作用下通过成型模而定型；
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其次，在模中或固化炉中固化，制成具有 特定横截面形状和长度不受限制的复合材料， 如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材 等。
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复合材料缠绕成型工艺流程
复合材料缠绕成型工艺流程English Answer:Filament Winding Process for Composite Materials.1. Preform Preparation.The first step in the filament winding process is the preparation of the preform. The preform is the shape or structure onto which the composite material will be wound. It can be made of various materials, including mandrels, molds, or cores.2. Fiber Impregnation.The next step is to impregnate the fibers with a resin or matrix material. This can be done using various techniques, including wet winding, prepreg winding, or towpreg winding.3. Winding.The impregnated fibers are then wound onto the preform using a winding machine. The winding pattern and tension are carefully controlled to ensure the desired composite properties.4. Curing.Once the winding is complete, the composite material is cured using heat or other processing techniques. This step helps to solidify the resin and bond the fibers together.5. Demolding.After curing, the composite part is removed from the preform. This can be done using various techniques, including mechanical stripping, chemical dissolution, or water jet cutting.6. Post-Processing.The final step is post-processing, which may include additional operations such as trimming, sanding, or painting to prepare the composite part for its intended application.Chinese Answer：复合材料缠绕成型工艺流程。
复合材料成型工艺与设备(6.缠绕成型工艺)
图7-33 沉浸式浸胶
缠绕速度：（对湿法缠绕）
图7-34 表面带胶式浸胶
纱线速度应小于0.9 m/s 小车速度应小于0.75 m/s 固化制度：P188～190 考虑树脂聚合反应的时间和传热时间，固化制度主要 由树脂系统性能和制品要求的物化性能决定。
P189，图7-39 酚醛环氧玻璃钢气瓶的固化制度曲线。
图7-18 平面缠绕
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2r1 2r2
πD
b
le1
lc
a le2
D △θ s
图7-19 平面缠绕参数关系图
平面缠绕、缠绕角的正切值为：
tg r1 r 2
lc le1 le2
b
α
lc
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平面缠绕的速比： 芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比。
i b
D cos
证明 ：
因为芯模转一周时，恰好纱片在芯模上布满一层。设 此时丝头转了n圈，由速比定义有：
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3）、纤维在芯模表面均匀布满的条件 a、一个完整循环的诸切点均布在极孔圆周上。 b、前一个完整循环与相继的后一个完整循环所对应的 纱片在筒身段错开的距离等于一个纱片宽度。
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6.3.2.2 纤维缠绕芯模转角（即缠绕中心角）与线型的关系 设完成一个n切点的完整循环缠绕，芯模转角为θ，导
丝头每往返一次芯模转角为θn，则：
所谓缠绕规律是描述纱片均匀、稳定、连续、排 布在芯模表面,以及芯模与导丝头间运动关系的规律。
对缠绕线形的两点要求： （1）纤维既不重合又不离缝，均匀连续布 满芯模表面。 （2）纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。
6.3.1.2 缠绕线型分类
环向缠绕
纵向缠绕
螺旋缠绕
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（1）环向缠绕
(工艺技术)缠绕成型工艺
缠绕成型工艺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基本纤维缠绕机浸胶 胶纱纱锭 张力控制 固化 打模喷漆 脱模 芯模制造胶液配制纱团集束烘干 络纱 加热粘流纵、环向缠绕张力控制 纵、环向缠绕成品湿法缠绕干法缠绕玻璃钢.高压储气罐/碳纤维球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。
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。
干法缠绕制品质量较稳定，并可大大提高缠绕速度，可达到100m／min～200m／min。
缠绕设备清洁．劳动卫生条件较好。
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。
此法无须另行配置浸渍设备。
对材料要求不严，便于选材，故比较经济纱片质量及缠绕过程中张力不易控制。
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。
湿法缠绕工艺流程:原 材 料缠 绕 设 备打磨喷漆胶液配制纱团集束固化浸胶脱模 张力控制纵、环芯模制造制品浸 胶 缠 绕增强材料：应用最广、量最大的是玻璃纤维。
此外有碳纤维，Kevlar 纤维等。
卧式缠绕机缠绕设备立式缠绕机卧式缠绕机立式缠绕机缠绕机构纱架浸胶槽张力控制器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。
1.2 纤维缠绕制品的优点(1) 比强度高FWRP的比强度3倍于钛，4倍于钢i) 材料表面缺陷是影响其强度的重要因素。
复合材料缠绕成型工艺
缠绕成型工艺流程（一）
纱团
纱架
浸胶
胶槽
张力控制
张力辊
缠绕
芯模
固化
固化炉
加工
（工艺流程图）
加工机械
树脂胶液 成品
缠绕成型工艺流程（二）
（工艺流程示意图）
缠绕成型工艺流程（三）
（浸胶）
缠绕成型工艺流程（四）
（缠绕）
缠绕成型设备（一）
（结构示意图）
缠绕成型设备（二）
缠绕规律（七）
分析方法：标准线法和切点法
标准线法的基本点就是通过容器表面的某一 特征线— “标准线”来研究制品的结构尺寸与 导丝头、芯模相对运动规律。这种方法直观性， 但分析演算过程较为复杂，精确性也不太高。
切点法是研究缠绕线型在极孔上对应切点 的分布规律，研究纤维缠绕芯模转角与线型， 速比之间的关系。该方法的理论性较强，数学 推导比较严密。
思考题
1）缠绕设备的主要组成部分及其作用。 2）环向缠绕时，为什么缠绕角要大于70度？
每条纤维都对应于极孔圆周上的一个切点，相同方向邻近纱 片之间相接而不相交，不同方向的纤维则相交。这样，当纤维均 匀缠满芯模表面时实际以构成了双层。
缠绕规律（六）
纵向缠绕：又称平面缠绕，导丝头在固定平面内做匀速圆周 运动，芯模绕自轴慢速旋转。导丝头转一周，芯模转动一个微 小角度，反映在芯模表面为近似一个纱片宽度。纱片依次连续 缠绕到芯模上，各纱片均与极孔相切，相互紧挨着而不交叉。 缠绕轨迹近似一个平面单圆封闭曲线。
缠绕只能在筒身段进行，不能缠封头。相邻纱片之间 相接而不相交，其缠绕角在85°~90°之间。
缠绕规律（四）
b
a D
W
15.【复合材料】第3章 缠绕成型工艺1
树脂就已凝胶，达不到烘干目的。
（5）缠绕速度
缠绕过程的进行，需要两个基本运动 芯模旋转，其旋转切线速度称芯模速度，导 丝头（小车）往复直线运动，其速度称小车 速度。 由于缠绕机上述的两个运动 ，才使纤维能 缠到芯模上去。纤维纱线相对于导丝头缠到 芯模上去的速度称纱线速度。缠绕速度通常 指纱线速度，应控制在一定范围。
导丝头在固定平面内作匀速圆周运动，芯模绕自轴 慢速旋转。导丝头转一周，芯模转动一个微小角度， 反映在芯模表面为近似一个纱片宽度。
6.5.4 缠绕工艺设计
缠绕工艺设计包含下述内容： （1）根据产品使用和设计要求、技术质 量指标，进行结构造型、缠绕线型和芯模设计。 （2）选择原材料。 （3）根据产品强度要求、原材料性能及 缠绕线型进行缠绕层数计算。 （4）根据选定的原材料和工艺方法，制 定工艺流程及工艺参数。 （5）根据缠绕线型选定缠绕设备，或为 缠绕设备设计提供参数。
6.5.4.3 缠绕设备选择
根据制品的结构形状和几何尺寸、 缠绕线型等综合考虑。 一般螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕采用 卧式小车环链式缠绕机。 平面缠绕或平面加环向缠绕一般采用 摇臂式或跑道式缠绕机
6.5.5
缠绕工艺参数
缠绕工艺过程一般由下列各工序组 成： 芯模或内衬制造、胶液配制、纤维烘 干和热处理、浸胶、胶纱烘干、缠绕、 固化、检测等
6.5.2.2 选择和使用芯模材料时 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）芯模材料既不为树脂腐蚀，更重要是不能影响 树脂系统固化。 3）多孔性材料有吸湿性，使用前必须处理 4）为保证缠绕制品尺寸均匀，芯模材料的成分亦 应均匀。
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第二节 金属基复合材料(MMC)成形工艺
一、固态法
1.扩散黏结法(Diffusion Bonding) 如图9-2所示，扩散黏结是一种在较长时间、
较高温度和压力下，通过固态焊接工艺，使同类 或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工 艺方法。
2.形变法(Plastic Forming) 形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点
2.复合材料的特点
(1)比强度和比刚度高 (2)抗疲劳性好 (3)高温性能好 (4)减振性能好 (5)断裂安全性高 (6)可设计性好
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
第一节 复合材料简述
四 、 复 合 材 料 的 失 效 (Failure of Composite)
复合材料的失效一般是指其疲劳破坏过程。
1.制造加工损伤
此种损伤产生初始缺陷。，它包括：纤维铺设不 均，扭结、死扣等，树脂不均；纤维切断、错排； 固化不足；有孔隙、气泡；材质污染等。
2.使用引起的损伤
此种损伤导致缺陷发展。它包括：树脂裂纹或老 化；分层；纤维断裂；振动较大导致的纤维断裂； 温度变化较大；机加工产生内应力；碰撞等。
二、复合材料用原料
1.增强材料
(1)碳纤维(Carbon Fiber) (2)硼纤维(Boron Filament) (3)芳纶(Aramid Ring) (4)玻璃纤维(Glass Fiber) (5)碳化硅纤维(Silicon Carbide Fiber) (６)晶须(Whisker)
2.基体材料
3）基体能够很好地保护纤维表面，不产生表面 损伤、不产生裂纹。
热塑性复合材料缠绕技术
热塑性复合材料缠绕技术人类开发并利用缠绕技术于生活用品已有多年历史，但真正把此项技术应用于航空工业上却是近年来之事。
由于复合材科在航空工业日渐重要，已趋于成熟之缠绕技术，配合新材料之开发及新设备之发明，使得此项技术得以充分发挥并制造出符合航空用之复材零件。
在实际使用上，早期之开发系以热固性复合材料为主，随后由于热塑性材料之开发，此项技术已有突破性之发展，德拉瓦大学复合材料中心已开发以机械人自动控制方式制作复合材料零件，此项技术已可正式用于工业生产上。
缠绕技术须考虑之层面发展缠绕技术得考虑下面几种因素（1）制作过程与成本（2）设备能力（3）制作过程之考虑目前在制造上有三种不同之方式－Filament winding、Fiber Placement、Tape Laying，由制作能力、质量及成本观点比较三种不同之方式（表1、2及图1）；由表中可看出三种方式以Filament winding方式制作零件，成本最低最符合工业之需求。
另外以缠绕技术可直接生产热塑性复合材料零件，其生产成本明显之降低（图2），未来发展潜力甚大。
德拉瓦大学复合材料中心开发热塑性复合材料缠绕技术已有多年，并有具体成果。
缠绕技术之原理缠绕技术基本上系将成束纤维通过树脂槽含浸树脂后，经由缠绕机器，依某设计角度，将含浸后之纤维束缠绕于心轴上如图3。
目前已开发之热塑性复合材料之缠绕技术，其缠绕过程不同于热固性复合材料。
缠绕技术之考虑缠绕技术必须考虑下列数个因素:（1）材料选择包括纤维、树脂种类湿式缠绕－热固性复材干式缠绕－热塑性复材（2）张力固定方式（3）材料喂入系统（4）心轴设计（5）加热系统（热塑性复合材料）缠绕机之选择缠绕技术发展多年并有多家机械公司开发二轴、三轴甚至多轴之缠绕机器，目前配合计算机系统而使功能多样化，较之传统机械式操作方式，更能将缠绕技术之优点发挥得淋漓尽致。
以下为三种不同型式之缠绕机之比较说明：（1）机械式缠绕机器a. 投资成本低b.制造速率高c.心轴几何形状受限（2）计算机控制缠绕机器a. 投资成本高b. 制造速率高c. 可缠绕复杂几何形状之心轴（3）机械人缠绕工作站（Robotic winding workcells）a. 投资成本中等b. 可缠绕复杂几何形状之心轴c. 赋予多种其它用途d. 最适于初期产品开发表1 质量比较Wet Filament Winding Prepreg Type HandLayupPrepreg Tow FiberPlacementVoid Content 4% to 8% < 1% 4% to 8%Thickness Flexibility 0.010 to 0.025inch / ply0.005 to 0.010inch / ply0.0005 to 0.0015inch / plyWinding AngleFlexibility>15 to 90 0 to 90 flat 0 to 90, variable Tow Cutand AddNO Hand Splice Only Programmable Laps and Gaps 0.125 inch 0.030 inch <0.030 inchGeometry Best for Bodies ofRevolutionCompound FlatPatternsCompound MachinePlacedMaterial Scrap Rate 20% to 40% 50% to 200% 5% to 20%From：Hercules Advanced Composites,1990图1 各种技术产品价格比较表2 成本/技术层面分析比较PROCESSFlat PanelNormalized Cost100 1000 10000units units unitsSingle CurvatureNormalized Cost100 1000 10000units units unitsCompound CurvatureNormalized Cost100 1000 10000units units unitsHand Layup 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00TP FilamentWinding0.74 0.53 0.50 0.76 0.54 0.52 X X X AutomatedType LayerATL2.33 0.82 0.69 X X X X X XATLWith Press2.61 0.99 0.84 2.61 1.01 0.863.84 0.83 0.49From :M. Draper Labs, SAMPE Quaterly 1991图2 各种生产技术之产品件数与成本之关系图3 缠绕技术之原理图4 热塑性复材缠绕方式图5 热固性复合材料缠绕方式热塑性复材缠绕技术热塑性复材缠绕技术基本上沿袭热固性复材缠绕技术而来，所不同的为热固性缠绕技术发展较早，设备较完备，缠绕角度亦多样化，可直接以纤维含浸树脂并缠绕于模具上。