纤维缠绕技术的发展及研究现状

有记录的纤维缠绕制品的比较早应用是1945年制成的玻璃钢环，用于原子弹工程1946年，纤维缠绕成型工艺在美国取得专利，1947年美国Kellog公司成功地制成世界上台缠绕机，随后缠绕了台火箭发动机壳体，直径5英寸，长5英尺，20世纪50年代美国宇航局和空军材料研究室用纤维缠绕工艺研制成功“北极星”导弹发动机壳体，在质量减轻1/2、射程提高一倍多的情况下，成本仅为钛合金的1/10，从而奠定了纤维缠绕在制造尖端军用产品(火箭和导弹)中的重要地位，20世纪60~70年代是纤维缠绕技术飞速发展的阶段，在这一时期，纤维缠绕用的纤维仍然是以玻璃纤维为主导，但是，随着新纤维的不断问世，纤维缠绕的应用领域也拓宽了，已从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及风能系统等重要的民用部门，商用纤维缠绕机也开始在市场上销售，美国的多家公司都在生产各种高压管、污水管等，并缠绕出巨大体积的复合材料产品，如直径8m、长38m的风车叶片和直径10m、容积1000m3的巨型储罐等，20世纪80年代，纤维缠绕仍然以航空和国防为主，但在民用领域进一步扩展，如水力工程中用于制造各种压力管道、压力容器等，在这期间，台计算机控制的纤维缠绕机问世，使缠绕精度更高、形状更复杂的产品成为可能，进入20世纪90年代，纤维缠绕技术发展速度明显加快，进入新的高速发展阶段，商用领域进一步扩展到汽车、救生设备、运动器材等，多轴缠绕机已出现并得到发展。
    目前，纤维缠绕技术已广泛应用于发动机机匣、燃料贮箱、发动机短舱、飞机副油箱等航空航天领域，以及导弹、鱼雷发射管、机枪枪架、火箭发射筒等军事领域，也用于制作各种压力管道、贮罐、天然气瓶、轴承、绝缘制品、体育器材、交通工具等民用产品，值得一提的是，纤维缠绕轴承在近年来得到了快速发展，以其质量轻、强度高、自润滑性良好等优良性能，广泛应用于汽车、建筑设备、农业设备、纺织机械等各个行业，产品直径从8mm到600mm，有多种不同的规格。
2  纤维缠绕工艺的发展方向
    随着复合材料相关技术的发展，纤维缠绕工艺呈现出多工艺复合化、热塑性树脂缠绕逐渐增多以及新型固化技术不断应用的发展趋势。
    (1)拉挤成型、带铺放、带缠绕及纤维编织、压缩模塑等工艺与传统缠绕工艺相结合，提高了缠绕工艺的适应性，纤维缠绕技术有一个明显的局限，就是沿制品轴向铺设纯向，即0。纤维(纤维与筒体母线夹角为0。)较为困难，限制了它在某些结构类管状制品制造中的应用，将纤维缠绕与带铺放工艺、拉挤工艺结合起来可解决这一问题，纤维铺放技术集传统缠绕技术与带铺放技术于一身，可进行任意角度缠绕，也可任意增减纤维，还可在凹形表面缠绕，克服了传统缠绕工艺的不中，缠绕——拉挤工艺制造的薄壁管改善了力学性能，已用于汽车司机驾驶室框架，缠绕与注射模塑结合制造的自润滑多面滑动轴承具有卓越的摩擦学行为，纤维缠绕预制件与RTM技术相结合扩大了纤维缠绕工艺的应用范围。
    (2)热固性树脂缠绕向热塑性树脂缠绕方向发展，据统计，从1994年以来，热塑性复合材料是同期热固性复合材料增长的2部，该高速增长可以用热塑性复合材料良好的机械性能、高的耐温性、良好的介电常数和良好的可循环性来解释，尤其是它的可回收、可重复利用和不污染环境的特性适应了当今材料环保的发展方向，欧美一些国家已有一些产品用于航空航天和民用，如美国用CF/PEEK缠绕制件作飞机水平安定面，德国用CF/FA缠绕管件制造超轻质自行车等，国外已有杜邦公司、帝国化学公司、BASF公司和德国凯瑟斯路登大学等多家大公司和科研机构对热塑性树脂缠绕工艺进行了研究和生产实践，国内有北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室等少数机构对热塑性预浸带进行了缠绕实验，并对制品性能进行了初步分析，可以说国内这种艺还处在逐步开发的阶段，发展空间较大。
 (3)出现新型固化技术及在线固化监测技术，红外加热、微波加热、火焰加热、电子束固化等技术可缩短化周期，减少残余应力，提高复合材料力学、物理性能、降低成本，法国航空航天公司已对固体火箭发动机纤维缠绕壳体的电子束固化技术进行了成功演示，其综合性能优于常规的加热固化复合材料，此外，超声技术以及光纤传感技术等都被用于在线固化监测，前苏联在缠绕壳体制造中采用了在磁场中缠绕及固化的工艺方法，可以使制品实现更为良好的固化。

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