在航空航天及軍工領域的應用

飛機復合材料構件的自動化成型工藝主要包括纖維絲纏繞、纖維帶纏繞和纖維絲鋪放三種類型。由于纏繞制品的高強度、耐高溫、耐腐蝕等性能，目前纏繞制品在航空領域可用于雷達罩、發動機機匣、燃料儲箱、飛機副油箱和過濾器等零部件的成型，還可應用于小型飛機與直升機機身、機翼、槳葉、起落架等結構的成型。現代大型噴氣客機上眾多的高壓氣瓶都是采用復合材料纏繞成型工藝制造的。

在航天領域，纏繞成型技術主要應用于神舟飛船承力構件、衛星結構、返回艙、空間系統、復合材料壓力容器、固體火箭發動機殼體等方面的制造。在國防軍工領域，纏繞成型技術主要應用于大型導彈復合材料發射筒、魚雷發射管、姿控系統、槍架、火箭發射筒、軌道炮身管等。

先進復合材料的纏繞、鋪放成型是固體火箭發動機殼體，大飛機機身、機翼，風電葉片等核心部件的關鍵制造技術，對我國重大項目的實施和航空航天事業的發展有著舉足輕重的作用。多年來，我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術一直面臨“卡脖子”難題，2022年4月2日，由星火機床集團公司聯合武漢理工大學研發的國家重點項目，多軸聯動復合材料數控纏繞設備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復合材料纏繞設備“卡脖子”難題得以徹底解決，星火機床集團公司也全面實現了關鍵核心技術自主可控的重大突破。

復合材料作為一種先進材料，具有非常廣闊的發展空間。先進復合材料具有質量輕、比強度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優點，被廣泛應用到航空航天、國防裝備及能源開發等領域，并推動了相關工業領域的快速發展。復合材料的廣泛應用，在很大程度上取決于復合材料的成型工藝。其中，纏繞和鋪放技術是近年來發展快、有效的技術。

纏繞技術是指在控制張力和預定線型的條件下，將預浸膠纖維或布帶連續地纏繞在相應于制品內腔尺寸的芯模或內襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。

帶纏繞成型技術隨著計算機技術、信息技術、控制技術的發展，在功能方面不斷擴大。從國外來看，美國已將帶纏繞成型工藝應用于型號研制：MD-2 固體火箭發動機噴管部件中的 13 個零件，“侏儒”導彈的發動機噴管都是通過纏繞成型；歐洲、日本也在航天器、武器研制等領域廣泛地應用帶纏繞成型工藝：歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管，法國 M51 導彈的殼體，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復合材料。

在國內，我國自60年代就開始研制復合材料纏繞設備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設計院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及華中科技大學等單位先后研制出不同的復合材料纏繞成型設備。西工大通過自主研發的多功能布帶數控纏繞機，工作效率高，纏繞出的制品達到型號工藝要求，成為能夠滿足高性能發動機噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關鍵配套設備。但是，上述纏繞成型設備基本上都是針對型面規則的回轉體零件研制開發的，對于諸如大飛機的機翼、機身、風電葉片等大型非規則復雜結構件無法實現纏繞成型。

隨著復合材料相關技術的發展，帶纏繞、鋪放成型技術呈現出多工藝復合化、成型設備精密化、CAD/CAM技術應用日益增多、成型設備與機器人結合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術不斷應用的發展趨勢。經過 40 余年的研究與發展，我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術的研究和應用已初具規模，但仍然面臨著國外技術的嚴密封鎖與技術儲備的嚴重不足。由星火機床集團公司聯合武漢理工大學研發的多軸聯動復合材料數控纏繞設備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復合材料纏繞設備“卡脖子”難題得以徹底解決。

圖 多軸聯動復合材料數控纏繞設備

這次交付用戶的設備是國家重點項目關鍵設備，是集新工藝、新材料制造技術、自動控制技術等為一體的智能化高新技術產品，能夠完成各種非金屬玻璃纖維、碳纖維復合材料產品的筒形、球形、錐形等形狀的纏繞加工生產。該設備主要有自動化程度高、精度高、可靠性強等特點，突破了國內很多的技術瓶頸，解決了國內（技術）卡脖子問題，填補了國內空白。

生物基“以竹代塑”

竹纏繞復合材料，以水溶性氨基類樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料，屬于新型生物基材料。竹纏繞技術，打破了數千年來人類對于竹子的應用形成的固有認識，開啟了傳統竹產業變革的新征程。竹纏繞復合材料技術可以廣泛應用于市政、水利、建筑、交通、石油化工、海洋、航天、國防建設等多個領域，對于國民經濟發展具有重要作用。

圖 國際竹藤中心與浙江鑫宙竹基復合材料科技有限公司研發的竹纏繞產品

高精度多軸纖維纏繞

高精度多軸纖維纏繞生產線是生產制作高精度、高強度等高性能纖維纏繞制品的生產線，主要由纏繞機軌道或門架、驅動床頭、床尾、纏繞小車、浸膠系統、導絲嘴翻轉裝置、伸臂進給裝置及紗架、電子氣動伺服張力控制系統、加熱裝置、PLC控制系統和電氣控制系統及安全防護系統等部分組成。能滿足各種樹脂和纖維體系的球體、錐體、圓柱體、(半)橢球體、矩形體以及組合體等軸對稱結構件纏繞制品的制作。適用于對產品性能要求較高的運輸及航空航天領域。

圖 多軸纖維纏繞機 COMET

碳纖維連續纏繞

碳纖維，因其出色的性能，逐漸成為氫氣瓶制造的主流材料。然而，早期在國內，由于70 MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術不成熟和規模化生產難度大，造成了較高的制備成本，限制了這一技術的廣泛應用。但隨著技術的持續發展和生產規模的擴大，成本逐漸降低，這為氫氣瓶的進一步普及和應用奠定了基礎。

在氫氣瓶的技術進化中，Ⅲ型和Ⅳ型氣瓶標志著一個重要的轉變。這兩種類型的氣瓶主要由內膽和纖維纏繞層組成，采用了先進的復合材料技術。內膽通常由金屬或其他材料制成，而外圍則由碳纖維、玻璃纖維等高強度纖維復合材料纏繞而成，顯著提高了氣瓶的承壓能力和安全性。

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