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[摘 要]将连续的纤维经过浸胶后，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后再加热或常温固化，制成一定形状制品的工艺方法叫纤维缠绕成型工艺。本文论述了湿法缠绕在环缠绕复合材料气瓶生产中的应用，通过对复合材料增强层、防护层的工艺设计和树脂体系的选择，生产复合材料气瓶23件，通过了各项鉴定试验，满足复合材料高压气瓶的设计要求。
[关键词]缠绕角、DMTA法、张力递减、过渡层
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0023-01
引言
复合材料以其比强度高、自重轻、耐腐蚀性能好、隔热保温效果好、电绝缘性好、耐磨性好、使用寿命长、耐久性好、无污染、可设计性强、方便安装和运输等优越特点，在石油工业、化学工业、汽车制造业、飞机制造业、宇航事业、城市给排水工程、水利电力工程、等领域广泛应用。
1 产品技术要求及结构
1.1 技术要求
（1）复合材料瓶体质量：≤7.4Kg（2）瓶体外径：≤174mm （3）液压强度：52+1.5MPa；
（4）密封性试验：复合材料气瓶（35～36.5）MPa，（9±1）min，不漏气；（5）爆破强度：≥79MPa；（6）瓶体进行湿热、盐雾、霉菌试验，外观符合技术条件要求。根据总体要求高压气瓶组件12.4kg基础上减重5kg。
1.2 复合材料气瓶的结构
1.2.1钢制内胆
该复合材料气瓶采用30CrMnSiA作为内胆。 由于纤维缠绕复合材料致密性差，具有透气性，用它制成的气瓶，在充装高压气体时会发生渗漏。内衬的主要功能就是防止气体渗漏。在复合材料气瓶制造过程中，钢制内胆还作为缠绕芯模使用，是复合材料气瓶的重要组成部分。
1.2.2缠绕层
设计要求在瓶体圆柱段缠绕加强，缠绕层厚度3.5mm。
2 缠绕所需材料选择
缠绕使用原材料包括增强材料和基体材料，增强材料广泛应用的有玻璃纤维、芳纶和碳纤维，其中碳纤维比强度高，与树脂浸润性好，适用于制作长期承载的制品，是复合材料气瓶的最佳选择。制造复合材料气瓶时常用的树脂基体材料有环氧树脂和不饱和聚酯树脂，环氧树脂具有优异的力学性能，在高温下具有优良的性能保持率，同时具有优异的加工性能，对多种纤维增强材料具有良好的相容性，用它制成的复合材料性能好，价格适中，是复合材料气瓶中应用最为广泛的树脂基体。
2.1 缠绕层主要材料：
2.1.1纤维
T700碳纤维是设计技术条件中规定的缠绕层的主要材料，其抗拉强度大于4000MPa。我们选用的日本东丽公司 碳纤维T700SC-12K-50C，入厂复验抗拉强度>4800 MPa，可以满足设计要求。
2.1.2环氧树脂
根据设计要求复合材料缠绕层使用环境温度范围为-45℃～+110℃，我们选用了双酚A型环氧树脂EPO1441-310（E-51），该树脂固化后粘接强度高，收缩率小，尺寸稳定，电绝缘性好，耐油、耐溶剂、耐酸碱、耐水等性能优异；我们对该树脂配方体系进行了DMTA动态热力学分析。由图谱可知：Tg（DMTA法）=146.64℃；从弹性模量曲线Eˋ可以看出：玻璃态转变拐点对应温度为130℃，说明：该树脂配方体系可以长期使用的温度为不超过130℃。由此可见，该树脂配方体系能够满足产品设计的需要。
2.2 防腐层主要材料
2.2.1过渡防腐层材料的选择
由于碳纤维与金属瓶体直接接触导致电化学腐蚀，选用了湿固化聚氨酯高级防腐漆 Q/YJT 010-2005 。该漆具有硬度高、韧性好、耐蚀性好的优点，该涂层作为缠绕层与金属表面之间的过渡层和缠绕层外表面的防腐层，过渡层能够提高缠绕层与钢制内胆的界面粘接性能，同时将瓶体与缠绕碳纤维绝缘。涂有该漆料的复合材料气瓶组合进行了盐雾、湿热、霉菌试验，结果合格，满足了该型号产品三防试验的要求。
2.2.2 外表面防腐层材料的选择
从提高复合材料气瓶的三防性能考虑，在面漆前增加一道底漆，选用锌黄环氧酯底漆H06-2，它适合与外表面的聚氨酯漆搭配，按GB9286进行结合力试验，结果为1级，符合Q/YJT 010-2005技术条件，说明底漆与面漆搭配合理。
3 复合材料缠绕层的设计
3.1 缠绕角：
由于复合材料高压气瓶只需要对筒身段进行加强，故采用环向缠绕的加强方式，纤维的缠绕角为90°。
3.2 缠绕层数、厚度计算：
根据设计对复合材料瓶体爆破强度：≥79MPa的要求，选用T700碳纤维，其最低抗拉强度σb取4000MPa，根据网格理论计算取缠绕层数为环向15层，缠绕层厚度约3.2mm，考虑实际缠绕工艺和防护层的要求，取复合层总厚度为3.5mm，符合设计图纸和技术条件要求，并经过计算复合材料层（不考虑钢瓶承载）最小爆破压力为83.2 MPa，理论上工艺可行。
4 复合材料气瓶缠绕的工艺方法及工艺流程
4.1 复合材料气瓶缠绕工艺
复合材料缠绕的制造工艺通常分为干法和湿法两种，湿法缠绕工艺具有所用的材料成本低，可供选择的材料品种多，来源广，材料贮存无特殊要求的优点，所以本复合材料气瓶采用湿法缠绕工艺。
4.2 缠绕工艺流程
缠绕工艺流程如下：
钢质内胆外表面吹砂→喷绝缘漆→配制胶液→缠绕→固化→打腻子→喷底漆→喷面漆。
5 工艺控制要点
5.1 钢质内胆外表面吹砂
吹砂的目的是对钢质内胆的外表面进行粗化，可以提高金属与漆层的结合力。工艺要求使用40-100目细砂，控制风压≤0.3 MPa，对钢质内胆外表面进行粗化。
5.2 钢质内胆外表面喷湿固化聚氨酯高级防腐漆
喷涂过程中控制粘度（17-20）S，涂层薄而均匀。
5.3 胶液控制
通过实验，选择控制胶液的使用温度在（35±5）℃，适用期8h。胶液粘度过高，影响树脂浸渍纤维，温度过高，胶液的可使用时间过短。此范围内的胶液具有较好的工艺性，适于缠绕生产。工艺上控制要求胶液适量配制，随时补加，每日清理。
5.4 纤维张力控制
采用逐层递减的张力制度，使所有缠绕层自内向外都有相同的张力和变形，可有效的保证复合气瓶的缠绕质量，对爆破强度指标影响较大。
使用T700碳纤维，采用两股纱缠绕，由于缠绕层较薄，有钢制内胆支撑，工艺上可以实现一次缠绕固化。初始張力确定为60N，采用张力逐层递减制度，避免了内层纤维褶皱，保证内外层纤维能同时受力，使强度和疲劳性能得到提高。
5.5 缠绕速度控制
缠绕速度过快，会出现胶液在离心力作用下，从缠绕结构向外迁移和溅撒，影响制品的含胶量和纤维与树脂的浸润性。
生产中控制环向缠绕速率不大于60r/min。
5.6 固化制度
根据选用的树脂体系，严格控制升温速率不大于1℃/min，避免因为升温速度过快造成外层挥发物急剧溢出、内部挥发物无法溢出产生的缺陷和较大的内应力。
6 鉴定试验
缠绕后瓶体按照技术条件的要求进行了鉴定试验结果完全满足要求。缠绕层安然无恙。
7 结束语
复合材料缠绕在环缠绕复合材料高压气瓶中的应用，通过了所有鉴定试验的考核，说明此次复合材料气瓶缠绕层工艺设计和树脂体系选用合理，工艺过程控制有效，缠绕工艺状态已经成熟稳定，具备了同类产品的研制和生产能力。
参考文献
[1] 谢怀琴.玻璃钢工艺学，中国建筑工业出版社
[2] 刘雄亚，谢怀琴.复合材料工艺与设备，武汉工业大学出版社
[关键词]缠绕角、DMTA法、张力递减、过渡层
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0023-01
引言
复合材料以其比强度高、自重轻、耐腐蚀性能好、隔热保温效果好、电绝缘性好、耐磨性好、使用寿命长、耐久性好、无污染、可设计性强、方便安装和运输等优越特点，在石油工业、化学工业、汽车制造业、飞机制造业、宇航事业、城市给排水工程、水利电力工程、等领域广泛应用。
1 产品技术要求及结构
1.1 技术要求
（1）复合材料瓶体质量：≤7.4Kg（2）瓶体外径：≤174mm （3）液压强度：52+1.5MPa；
（4）密封性试验：复合材料气瓶（35～36.5）MPa，（9±1）min，不漏气；（5）爆破强度：≥79MPa；（6）瓶体进行湿热、盐雾、霉菌试验，外观符合技术条件要求。根据总体要求高压气瓶组件12.4kg基础上减重5kg。
1.2 复合材料气瓶的结构
1.2.1钢制内胆
该复合材料气瓶采用30CrMnSiA作为内胆。 由于纤维缠绕复合材料致密性差，具有透气性，用它制成的气瓶，在充装高压气体时会发生渗漏。内衬的主要功能就是防止气体渗漏。在复合材料气瓶制造过程中，钢制内胆还作为缠绕芯模使用，是复合材料气瓶的重要组成部分。
1.2.2缠绕层
设计要求在瓶体圆柱段缠绕加强，缠绕层厚度3.5mm。
2 缠绕所需材料选择
缠绕使用原材料包括增强材料和基体材料，增强材料广泛应用的有玻璃纤维、芳纶和碳纤维，其中碳纤维比强度高，与树脂浸润性好，适用于制作长期承载的制品，是复合材料气瓶的最佳选择。制造复合材料气瓶时常用的树脂基体材料有环氧树脂和不饱和聚酯树脂，环氧树脂具有优异的力学性能，在高温下具有优良的性能保持率，同时具有优异的加工性能，对多种纤维增强材料具有良好的相容性，用它制成的复合材料性能好，价格适中，是复合材料气瓶中应用最为广泛的树脂基体。
2.1 缠绕层主要材料：
2.1.1纤维
T700碳纤维是设计技术条件中规定的缠绕层的主要材料，其抗拉强度大于4000MPa。我们选用的日本东丽公司 碳纤维T700SC-12K-50C，入厂复验抗拉强度>4800 MPa，可以满足设计要求。
2.1.2环氧树脂
根据设计要求复合材料缠绕层使用环境温度范围为-45℃～+110℃，我们选用了双酚A型环氧树脂EPO1441-310（E-51），该树脂固化后粘接强度高，收缩率小，尺寸稳定，电绝缘性好，耐油、耐溶剂、耐酸碱、耐水等性能优异；我们对该树脂配方体系进行了DMTA动态热力学分析。由图谱可知：Tg（DMTA法）=146.64℃；从弹性模量曲线Eˋ可以看出：玻璃态转变拐点对应温度为130℃，说明：该树脂配方体系可以长期使用的温度为不超过130℃。由此可见，该树脂配方体系能够满足产品设计的需要。
2.2 防腐层主要材料
2.2.1过渡防腐层材料的选择
由于碳纤维与金属瓶体直接接触导致电化学腐蚀，选用了湿固化聚氨酯高级防腐漆 Q/YJT 010-2005 。该漆具有硬度高、韧性好、耐蚀性好的优点，该涂层作为缠绕层与金属表面之间的过渡层和缠绕层外表面的防腐层，过渡层能够提高缠绕层与钢制内胆的界面粘接性能，同时将瓶体与缠绕碳纤维绝缘。涂有该漆料的复合材料气瓶组合进行了盐雾、湿热、霉菌试验，结果合格，满足了该型号产品三防试验的要求。
2.2.2 外表面防腐层材料的选择
从提高复合材料气瓶的三防性能考虑，在面漆前增加一道底漆，选用锌黄环氧酯底漆H06-2，它适合与外表面的聚氨酯漆搭配，按GB9286进行结合力试验，结果为1级，符合Q/YJT 010-2005技术条件，说明底漆与面漆搭配合理。
3 复合材料缠绕层的设计
3.1 缠绕角：
由于复合材料高压气瓶只需要对筒身段进行加强，故采用环向缠绕的加强方式，纤维的缠绕角为90°。
3.2 缠绕层数、厚度计算：
根据设计对复合材料瓶体爆破强度：≥79MPa的要求，选用T700碳纤维，其最低抗拉强度σb取4000MPa，根据网格理论计算取缠绕层数为环向15层，缠绕层厚度约3.2mm，考虑实际缠绕工艺和防护层的要求，取复合层总厚度为3.5mm，符合设计图纸和技术条件要求，并经过计算复合材料层（不考虑钢瓶承载）最小爆破压力为83.2 MPa，理论上工艺可行。
4 复合材料气瓶缠绕的工艺方法及工艺流程
4.1 复合材料气瓶缠绕工艺
复合材料缠绕的制造工艺通常分为干法和湿法两种，湿法缠绕工艺具有所用的材料成本低，可供选择的材料品种多，来源广，材料贮存无特殊要求的优点，所以本复合材料气瓶采用湿法缠绕工艺。
4.2 缠绕工艺流程
缠绕工艺流程如下：
钢质内胆外表面吹砂→喷绝缘漆→配制胶液→缠绕→固化→打腻子→喷底漆→喷面漆。
5 工艺控制要点
5.1 钢质内胆外表面吹砂
吹砂的目的是对钢质内胆的外表面进行粗化，可以提高金属与漆层的结合力。工艺要求使用40-100目细砂，控制风压≤0.3 MPa，对钢质内胆外表面进行粗化。
5.2 钢质内胆外表面喷湿固化聚氨酯高级防腐漆
喷涂过程中控制粘度（17-20）S，涂层薄而均匀。
5.3 胶液控制
通过实验，选择控制胶液的使用温度在（35±5）℃，适用期8h。胶液粘度过高，影响树脂浸渍纤维，温度过高，胶液的可使用时间过短。此范围内的胶液具有较好的工艺性，适于缠绕生产。工艺上控制要求胶液适量配制，随时补加，每日清理。
5.4 纤维张力控制
采用逐层递减的张力制度，使所有缠绕层自内向外都有相同的张力和变形，可有效的保证复合气瓶的缠绕质量，对爆破强度指标影响较大。
使用T700碳纤维，采用两股纱缠绕，由于缠绕层较薄，有钢制内胆支撑，工艺上可以实现一次缠绕固化。初始張力确定为60N，采用张力逐层递减制度，避免了内层纤维褶皱，保证内外层纤维能同时受力，使强度和疲劳性能得到提高。
5.5 缠绕速度控制
缠绕速度过快，会出现胶液在离心力作用下，从缠绕结构向外迁移和溅撒，影响制品的含胶量和纤维与树脂的浸润性。
生产中控制环向缠绕速率不大于60r/min。
5.6 固化制度
根据选用的树脂体系，严格控制升温速率不大于1℃/min，避免因为升温速度过快造成外层挥发物急剧溢出、内部挥发物无法溢出产生的缺陷和较大的内应力。
6 鉴定试验
缠绕后瓶体按照技术条件的要求进行了鉴定试验结果完全满足要求。缠绕层安然无恙。
7 结束语
复合材料缠绕在环缠绕复合材料高压气瓶中的应用，通过了所有鉴定试验的考核，说明此次复合材料气瓶缠绕层工艺设计和树脂体系选用合理，工艺过程控制有效，缠绕工艺状态已经成熟稳定，具备了同类产品的研制和生产能力。
参考文献
[1] 谢怀琴.玻璃钢工艺学，中国建筑工业出版社
[2] 刘雄亚，谢怀琴.复合材料工艺与设备，武汉工业大学出版社