1. 前言
由于受原材料及工藝控制手段等所限,早期特別是在航空航天等領(lǐng)域,纏繞成型多采用預(yù)浸帶干法形式進(jìn)行。這種成型方法生產(chǎn)環(huán)境較好,可獲得性能優(yōu)秀的復(fù)合材料制品,然而所需設(shè)備復(fù)雜,投資較大,產(chǎn)品成本較高。濕法纏繞成型是在增強(qiáng)材料經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浴后直接纏繞在芯模上固化成型,樹(shù)脂的潤(rùn)滑作用可減少增強(qiáng)紗帶傳遞中的磨損,有利于纖維的強(qiáng)度發(fā)揮。更重要的是,由于省略了預(yù)浸帶制作步驟,濕法纏繞成型所需設(shè)備簡(jiǎn)單,工序少而生產(chǎn)周期較短,可有效提高生產(chǎn)效率和降低制造成本。資料表明,以濕法纏繞取代干法纏繞,成本約降低40%。因此,在制品的纏繞成型中,有以濕法纏繞取代干法纏繞成型的趨勢(shì)。限制濕法纏繞成型廣泛應(yīng)用的主要因素主要有①適于濕法纏繞成型的樹(shù)脂基體種類較少;②濕法纏繞工藝控制較難控制等。
2. 濕法纏繞用增強(qiáng)材料
纏繞成型用增強(qiáng)材料主要玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維。玻璃纖維是應(yīng)用最早的增強(qiáng)材料,最初是普通的E玻璃纖維。上世紀(jì)60年代高強(qiáng)玻璃纖維問(wèn)世,立即得到廣泛應(yīng)用。芳綸纖維問(wèn)世于上世紀(jì)70年代,拉伸強(qiáng)度與高強(qiáng)玻璃纖維相當(dāng),但密度只有1.45,,比強(qiáng)度為當(dāng)時(shí)最高水平,于上世紀(jì)70一80年代成為復(fù)合材料固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的主要增強(qiáng)材料。碳纖維出現(xiàn)比較早,但由于初期的碳纖維斷裂延伸率較低,限制了其在許多結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的應(yīng)用。另外,碳纖維的密度較大,影響了該種纖維的競(jìng)爭(zhēng)力。
由于在濕法纏繞中樹(shù)脂基體不允許添加非活性的溶劑而粘度較大,為保證纏繞過(guò)程中增強(qiáng)材料被充分浸透,相對(duì)于干法纏繞,濕法纏繞要求增強(qiáng)材料有更好的浸潤(rùn)性。在以上3種主要增強(qiáng)材料中玻璃纖維對(duì)樹(shù)脂的浸潤(rùn)性最好,因此較適應(yīng)于濕法纏繞工藝。芳綸纖維屬有機(jī)纖維,其橫斷面是典型的“皮芯”結(jié)構(gòu),皮層是剛性聚合物大分子伸直排列成較為完善的原纖結(jié)構(gòu),包圍著較為松散的微晶芯層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)決定了纖維的縱向強(qiáng)度較高,橫向強(qiáng)度低而易發(fā)生纖維劈裂。濕法纏繞工藝使浸漬樹(shù)脂的纖維直接纏繞在芯模上,簡(jiǎn)化了預(yù)浸漬后的卷紗工序,減少了纖維卷繞中表層損傷的機(jī)會(huì)。美國(guó)與原蘇聯(lián)的芳綸纖維纏繞固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體大都采用濕法纏繞工藝成型。碳纖維與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性不好,但生產(chǎn)廠家在出廠前通過(guò)添加涂層材料改善了碳纖維的浸潤(rùn)性,使其能夠用于濕法纏繞。另外,碳纖維屬于脆性材料,而濕法工藝使纖維在樹(shù)脂的潤(rùn)滑下減少了纏繞過(guò)程中的磨損消耗,這使得碳纖維較適于濕法纏繞工藝。隨著碳纖維制造技術(shù)的發(fā)展,碳纖維有望在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域完全取代芳綸纖維。
隨著技術(shù)研究的進(jìn)步,目前出現(xiàn)了更高性能的有機(jī)纖維,如超高分子量聚乙烯纖維、PBo纖維等。這類纖維特點(diǎn)是具備超高強(qiáng)度的性能,而分子鏈結(jié)構(gòu)上含有較少或不含有極性基團(tuán),表面惰性較強(qiáng),與樹(shù)脂基體的浸潤(rùn)和粘接性較差。王百亞等人對(duì)PBo纖維的濕法纏繞工藝性進(jìn)行了初步的研究。結(jié)果表明,PBo和環(huán)氧基體間結(jié)合較差,難以發(fā)揮PBo纖維的高強(qiáng)特性。PBo纖維的表面電暈處理對(duì)其浸潤(rùn)性改善并不明顯。該類纖維應(yīng)用于濕法纏繞尚需進(jìn)行較多的研究。
濕法纏繞成型用增強(qiáng)材料的形式主要為無(wú)捻粗紗。由于無(wú)捻粗紗合股后形成的纖維帶束內(nèi),纖維少間排布有重疊、交叉和空隙,參與合股的粗紗各自的張力大小不均勻,因此力學(xué)性能未得到充分發(fā)揮。用編制布纏繞可獲得橫向剪切和壓縮性能大大優(yōu)于纖維纏繞的復(fù)合材料,尤其是對(duì)于在多重載荷下工作的部件,布帶纏繞可獲得較高的結(jié)構(gòu)效率。然而關(guān)于布帶濕法纏繞的研究尚較為少見(jiàn)。據(jù)國(guó)外報(bào)道,Owen和Griffith采用不飽和聚酯作樹(shù)脂基體,成功地通過(guò)玻璃布帶濕法纏繞制得了一種薄壁圓筒,用于測(cè)試靜力性能和疲勞性能。