先进复合材料具有比强度高、比模量大、耐疲劳性能好、减振性能好和可设计性强等优点，在国防科技领域及民用工程中有着广泛的应用。复合材料用量已成为评价航空航天器性能的重要指标之一。在树脂基复合材料生产技术中，纤维缠绕技术是最早开发和应用最广泛的加工技术，相比于其他生产工艺，纤维缠绕复合材料制品可按照产品的结构特征和受力状况来设计缠绕规律，能够充分发挥纤维的强度，并且具有纤维排列整齐、准确率高等特点，已广泛应用于航空航天及民用工业中，如火箭发动机壳体、飞机机身、航空发动机叶片、叶环及机匣、车用燃料气瓶、医用氧气瓶、油气储罐及管道等。

缠绕成型工艺主要是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）在导丝嘴的导引下按照一定的线形规律均匀稳定地缠绕到芯模上，然后经固化处理后获得制品。纤维缠绕成型工艺是主要应用于具有轴对称结构制品的一种成型技术，按其结构主要分为有内衬和无内衬两大类，其制品性能稳定性较好，图1 为纤维缠绕工艺的示意图。

图1 纤维缠绕工艺示意图

纤维缠绕制品最早出现是在 1945 年缠绕制成的玻璃钢环，当时应用于原子弹工程。在 1946 年，美国申请了纤维缠绕技术专利。1947 年，美国 Kellogg 公司成功制造了世界上第一台缠绕机，随后第一台火箭发动机壳体通过缠绕工艺制造出来。在 20 世纪 50 年代，美国国家航空航天局和空军材料研究室成功使用缠绕工艺制造出了“北极星 A3”导弹发动机壳体，在成本仅为钛合金 1/10 的情况下，质量减轻 1/2，射程提高了一倍多，从而奠定了缠绕制品在高端军事领域的应用地位。20 世纪 60～70 年代，缠绕技术飞速发展，但纤维材料主要以玻璃纤维为主。随着新材料的研制，纤维缠绕制品的应用领域也愈发广泛，从最开始的军事领域逐渐拓宽到化工、污水处理、石油等领域，商业化的缠绕机也开始生产出售，美国多家公司开始生产各种高压管、污水管等复合材料制品，如直径 10 m、容积1000 m³的大型储罐等。20 世纪 80～90 年代，纤维缠绕技术应用领域依然以航空和国防科技为主，但在民用领域也有了一定的发展，如压力管道、容器等。世界上第一台计算机控制缠绕机在该时期问世，计算机控制缠绕机的使用增加了缠绕精度，扩大了纤维缠绕制品的种类。20 世纪 90 年代以来，纤维缠绕技术进入高速发展阶段，多轴缠绕机的开发和研制使纤维缠绕制品的形状更加多种多样（图2和图3）。

图2 玻璃钢管道及碳纤维复合材料气瓶

图3 玻璃钢储罐及火箭发动机壳体

随着纤维缠绕制品在高端科技领域应用的迅速增加，其已发展成为结构动力和燃料系统的关键组成部件之一。目前纤维缠绕技术已广泛应用于航空航天、国防科技和民用工业领域，包括卫星桁架、火箭发动机壳体、飞机副油箱、发动机短舱、机闸及燃料储箱；导弹、火箭发射筒、鱼雷发射管和机枪枪架；压力管道、储罐、CNG 气瓶、轴承、储能飞轮、体育器材和交通工具等。

如今纤维缠绕技术向着高层次的机械化、自动化、机器人操作等方面发展，从而实现自动化缠绕成型。而纤维缠绕软件的开发是自动化缠绕的必由之路。计算机辅助设计（computer aided design, CAD）缠绕线型的研究是自动化软件开发的基石，利用计算机辅助设计缠绕线型，将有限元分析技术与纤维轨迹计算技术结合，可以简化缠绕线型的优化设计，大幅缩短产品的设计开发周期。计算机辅助设计、计算机辅助工程（computer aided engineering, CAE）和计算机辅助制造（computeraided manufacturing, CAM）的有机结合是未来自动化缠绕发展的必然趋势。

如今纤维缠绕技术向着高层次的机械化、自动化、机器人操作等方面发展，从而实现自动化缠绕成型。而纤维缠绕软件的开发是自动化缠绕的必由之路。计算机辅助设计（computer aided design, CAD）缠绕线型的研究是自动化软件开发的基石，利用计算机辅助设计缠绕线型，将有限元分析技术与纤维轨迹计算技术结合，可以简化缠绕线型的优化设计，大幅缩短产品的设计开发周期。计算机辅助设计、计算机辅助工程（computer aided engineering, CAE）和计算机辅助制造（computeraided manufacturing, CAM）的有机结合是未来自动化缠绕发展的必然趋势。

 缠绕制品在民用领域的主要应用包括：复合材料压力管道、储罐、压力容器、呼吸气瓶（图4）及天然气气瓶、风机叶片、塔杆、电线杆、绝缘子、体育休闲用品、工业用传动轴、各种辊筒（图5）等。

图4 压力容器、呼吸气瓶 

图5 辊筒

汽车作为现代产业在科技的带动下快速发展，随着汽车复合材料应用水平的不断提高，复合材料单车用量将逐渐增加，2015年我国汽车工业所需塑料、复合材料总量约为 165 万 t。随着成型技术和装备的不断发展，复合材料汽车零部件在汽车领域的应用将日益扩大。为了提高汽车轻质、高强的性能，复合材料逐渐取代传统汽车制造应用材料，缠绕技术在汽车制造上的主要应用为传动轴、排气管、涡轮增压管、车载气瓶、吸能器、保险杠等。

海洋船舶领域对复合材料需求最多的是复合材料管道，缠绕成型的复合材料管道因具有耐腐蚀、耐油、耐高温等特性被广泛应用于海上油气运输、海洋平台及船舶等领域。除此之外，还有疏浚管道、海底输油软管、潜艇耐压壳体、深海探测器、潜水呼吸气瓶、船桅杆等应用（图6）。

图6  海上管道及管缆

油气工程领域的应用可分为陆地及海上的应用，主要为油气运输管道和疏浚管道（图7和图8）。复合材料管道由于具有超强的耐腐蚀性，正在逐步取代传统钢制管道，并在实际工程中得到广泛的应用。

图7  陆地油气管道

图8 海洋油气管道

飞机复合材料构件的自动化成型工艺主要包括纤维缠绕、纤维带铺放和纤维丝铺放三种类型。由于缠绕制品的高强度、耐高温、耐腐蚀等性能，目前缠绕制品在航空领域可用于雷达罩、发动机机匣、燃料储箱、飞机副油箱和过滤器等零部件的成型，还可应用于小型飞机与直升机机身、机翼、桨叶、起落架等结构的成型。现代大型喷气客机上众多的高压气瓶都是采用复合材料缠绕成型工艺制造的。

在航天领域，缠绕成型技术主要应用于神舟飞船承力构件、卫星结构、返回舱、空间系统、复合材料压力容器、固体火箭发动机壳体等方面的制造。在国防军工领域，缠绕成型技术主要应用于大型导弹复合材料发射筒、鱼雷发射管、姿控系统、枪架、火箭发射筒、轨道炮身管等。

作者简介

祖磊，“黄山学者”特聘教授、博导、合肥工业大学机械工程学院副院长、航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室副主任、安徽省飞机雷电防护重点实验室学术委员、中国航空学会理事，Composite Structures编委。主持JW装备预研、HJJ重大专项、国家自然基金、国家重点研发计划子课题、航天预研、霍英东基金等项目。

内容简介

本书详细介绍了目前先进树脂基复合材料成型技术，主要内容包括：纤维缠绕成型技术，复合材料拉挤成型技术，复合材料液体成型技术，复合材料模压成型技术，复合材料自动铺放成型技术，复合材料热压罐成型技术和复合材料固化炉成型技术。各个部分包括材料体系、成型机理、设备、工艺和应用等方面。

本书适用于树脂基复合材料行业相关的设计、制造、研发、工程技术人员和对其感兴趣的读者，对相关领域人员有一定参考价值。亦可作为高等院校复合材料、飞行器制造、机械制造类专业或相关专业教材。

目录速览

前言
第1章 绪论 1
1.1 复合材料的定义与分类 1
1.1.1 复合材料的定义 1
1.1.2 复合材料的分类 1
1.2 复合材料的特点 3
1.3 复合材料成型技术 4
1.4 复合材料的应用 5
1.4.1 飞机工业 5
1.4.2 汽车工业 6
1.4.3 海洋油田 7
1.4.4 风力发电 7
1.4.5 碳纤维复合芯电缆 7
1.4.6 基础设施和土木建筑 8
第2章 纤维缠绕成型技术 9
2.1 概述 9
2.1.1 缠绕成型技术概念及分类 9
2.1.2 缠绕成型技术的发展历程及趋势 12
2.2 缠绕制品及其成型设备 13
2.2.1 缠绕用纤维及树脂 13
2.2.2 典型缠绕制品及其结构 15
2.2.3 缠绕成型设备及辅助装置 17
2.3 缠绕成型技术设计原理 20
2.3.1 缠绕基础理论 20
2.3.2 缠绕线型优化设计 23
2.3.3 缠绕成型轨迹设计 29
2.4 缠绕成型工艺参数 34
2.4.1 缠绕设计参数的影响 34
2.4.2 缠绕层厚度预测理论 36
2.4.3 缠绕张力设计 39
2.4.4 缠绕成型含胶量的影响 40
2.4.5 缠绕成型固化制度 41
2.4.6 典型缠绕制品设计及分析 43
2.4.7 缠绕成型工艺的发展趋势 46
2.5 缠绕成型技术的应用 47
2.5.1 在能源化工及交通领域的应用 47
2.5.2 在航空航天及军工领域的应用 47
思考题 48
第3章 复合材料拉挤成型技术 49
3.1 概述 49
3.2 拉挤成型及设备 50
3.2.1 送纱 51
3.2.2 浸胶 52
3.2.3 成型 52
3.2.4 牵引 54
3.2.5 切割 55
3.3 拉挤成型原材料 55
3.3.1 增强材料 55
3.3.2 树脂 56
3.3.3 填料 59
3.3.4 阻燃剂 61
3.4 拉挤制品设计 61
3.4.1 结构设计 61
3.4.2 制品设计 66
3.5 拉挤成型技术的发展及其制品的应用 67
3.5.1 拉挤成型技术的发展 67
3.5.2 拉挤制品的应用 72
思考题 75
第4章 复合材料液体成型技术 76
4.1 概述 76
4.2 液体渗透性分析 77
4.2.1 单向流动分析 77
4.2.2 恒压式径向流动分析 80
4.2.3 恒流速径向流动分析 83
4.3 RTM成型技术 84
4.3.1 RTM成型基本原理 84
4.3.2 RTM成型模具 85
4.3.3 RTM树脂 87
4.3.4 RTM成型工艺流程 88
4.4 真空辅助液体成型技术 90
4.4.1 真空辅助液体成型基本原理 90
4.4.2 树脂工艺窗口 91
4.4.3 树脂流道设计 92
4.4.4 树脂流动模拟 95
4.5 液体成型技术的应用 96
4.5.1 LCM在航空领域的应用 96
4.5.2 LCM在汽车领域的应用 98
4.5.3 LCM在船舶领域的应用 98
4.5.4 LCM在其他领域的应用 99
思考题 100
第5章 复合材料模压成型技术 101
5.1 概述 101
5.1.1 模压成型定义 101
5.1.2 模压成型工艺的特点 101
5.1.3 模压成型工艺 101
5.1.4 典型模压工艺 104
5.2 SMC成型技术 105
5.2.1 SMC成型的特点与种类 105
5.2.2 SMC的组分与性能 106
5.2.3 SMC的成型流程 109
5.3 BMC成型技术 111
5.3.1 BMC成型的特点与种类 111
5.3.2 BMC的组分与性能 111
5.3.3 BMC的成型流程 112
5.3.4 BMC模压成型常见问题及解决办法 115
5.4 层压模压成型技术 117
5.4.1 层压料的制备 117
5.4.2 层压模压成型流程 120
5.5 模压成型制品的应用 121
5.5.1 防眩板的生产工艺 121
5.5.2 变压器绝缘垫块的生产工艺 123
5.5.3 覆铜板的生产工艺 124
思考题 126
第6章 复合材料自动铺放成型技术 127
6.1 概述 127
6.2 铺放材料体系 127
6.2.1 预浸料种类 127
6.2.2 预浸料的制备方法 128
6.3 复合材料自动铺带成型技术 130
6.3.1 自动铺带设备 131
6.3.2 自动铺带成型技术 133
6.3.3 自动铺带成型模具 135
6.4 复合材料自动铺丝成型技术 135
6.4.1 自动铺丝设备 136
6.4.2 自动铺丝成型技术 138
6.4.3 自动铺丝成型模具 139
6.5 自动铺放成型技术的应用 140
6.5.1 自动铺带成型技术的应用 140
6.5.2 自动铺丝成型技术的应用 141
思考题 142
第7章 复合材料热压罐成型技术 143
7.1 概述 143
7.2 热压罐系统组成 144
7.3 热压罐成型技术 147
7.3.1 热压罐成型流程 147
7.3.2 热压罐成型基础研究 151
7.4 热压罐成型技术的应用与发展 157
思考题 158
第8章 复合材料固化炉成型技术 159
8.1 概述 159
8.2 固化炉系统组成 159
8.2.1 保温隔热系统 160
8.2.2 加热及循环系统 162
8.2.3 控制系统 163
8.2.4 安全系统 163
8.3 固化炉成型技术 163
8.3.1 固化炉成型流程 163
8.3.2 固化炉成型基础研究 170
8.4 固化炉成型技术的应用与发展 178
思考题 180
参考文献 181