纤维缠绕及性能表征大型工艺实验讲义编者袁象恺刘佃森东华大学材料学院2004年12月
纤维缠绕及性能表征 大型工艺实验讲义 编者 袁象恺 刘佃森 东华大学材料学院 2004 年 12 月
纤维缠绕工艺是复合材料中最具特性的一种成型工艺方法，它是由一束纤维纱浸胶后成扁带状排布，连续不断地缠在芯模上。本实验的重点在于芯模的制备、缠绕成型、NOL环的制作及性能测定。一、实验目的1、掌握芯模的制作技术；2、了解纤维缠绕工艺的基本特点，熟悉缠绕规律并学会缠绕线形的调试方法；3、观察纤维在轴对称模具上的分布状态，加深对纤维缠绕件结构特点的认识；4、掌握NOL环制作技术；5、了解NOL环性能测定的特点。二、 实验内容1、轴对称的纤维缠绕芯模制作；2、根据纤维缠绕规律与成型调试进行实际缠绕工艺操作；3、用纤维束环向缠绕制作环向缠绕圆筒并切割制作NOL环；4、NOL环性能测试（参照GB1458-88、1461-88）三、实验原理1、缠绕的基本过程纤维缠绕是连续纤维复合材料的特殊成型工艺。纤维缠绕结构的形状通常是轴对称的封闭面主体形状，连续纤维均匀的按一定规律的排布在芯模的表面上，树脂固化后就形成一个复合材料壳。这种壳式结构包括管、罐、球等，通常他们都是耐内压的结构，在内压工作状
纤维缠绕工艺是复合材料中最具特性的一种成型工艺方法，它是 由一束纤维纱浸胶后成扁带状排布，连续不断地缠在芯模上。本实验 的重点在于芯模的制备、缠绕成型、NOL 环的制作及性能测定。 一、 实验目的 1、 掌握芯模的制作技术； 2、 了解纤维缠绕工艺的基本特点，熟悉缠绕规律并学会缠绕线 形的调试方法； 3、 观察纤维在轴对称模具上的分布状态，加深对纤维缠绕件结 构特点的认识； 4、 掌握 NOL 环制作技术； 5、 了解 NOL 环性能测定的特点。 二、 实验内容 １、 轴对称的纤维缠绕芯模制作； ２、 根据纤维缠绕规律与成型调试进行实际缠绕工艺操作； ３、 用纤维束环向缠绕制作环向缠绕圆筒并切割制作 NOL 环； ４、 NOL 环性能测试（参照 GB1458-88、1461-88） 三、 实验原理 1、缠绕的基本过程: 纤维缠绕是连续纤维复合材料的特殊成型工艺。纤维缠绕结构的 形状通常是轴对称的封闭面主体形状，连续纤维均匀的按一定规律的 排布在芯模的表面上，树脂固化后就形成一个复合材料壳。这种壳式 结构包括管、罐、球等，通常他们都是耐内压的结构，在内压工作状
态下，所有壳体上的纤维都处于被拉伸的应力状态，充分发挥了连续纤维复合材料的高抗拉强度的优点。所以说，纤维缠绕结构是最能体现复合材料优点的一种复合材料制品。纤维缠绕成型工艺的重要性亦体现在此，其工艺流程图如下：玻璃纤维张力控制张力控制装置浸胶胶液配制螺旋缠绕环向缠绕缠绕机缠满芯模表面固化温度控制脱模脱模设备成品
态下，所有壳体上的纤维都处于被拉伸的应力状态，充分发挥了连续 纤维复合材料的高抗拉强度的优点。所以说，纤维缠绕结构是最能体 现复合材料优点的一种复合材料制品。纤维缠绕成型工艺的重要性亦 体现在此，其工艺流程图如下： 玻璃纤维 张力控制 浸胶 张力控制装置 胶液配制 螺旋缠绕 环向缠绕 缠 绕 机 缠满芯模表面 固化 脱模 成品 温度控制 脱模设备
2、缠绕线形的确定：已知的参数为芯模的最大直径D、极孔直径d、圆柱段长度L。、两头的对称曲面封头高L。、选择的纤维束纱片（或称为粗纱）宽度b、缠绕容器的耐压设计数p，分别按公式计算一下参数：d缠绕角α：sinα=D圆柱段单程线转角：0.=Ltgax360元D封头转角：0=90°+sin(2L.tgα-dD单程线芯模转角：0,=0。+20丝嘴往返一次芯模转角：0=(+N)x360°±nn式中：n一缠绕一个标准线在极孔的切点数；AO一时序相邻芯模转角增量。40速比：i=i.±Ai=i。n×3600b微调速比：Ai:n元DcosaDpr(螺旋缠绕层数：J=Nf cosaMM_2元Dcosα【一个缠绕循环是两层，其总的纱带数（粗纱数）］b式中：N一纱带（粗纱）的纤维股数：f一纤维的股强（实验1中数据）。哈环向缠绕层数：n=2Nmm=(每厘米长度的周长中排的纱片数）b
２、缠绕线形的确定： 已知的参数为芯模的最大直径 D 、极孔直径 d 、圆柱段长度 Lc、 两头的对称曲面封头高 Le 、选择的纤维束纱片（或称为粗纱）宽度 b 、 缠绕容器的耐压设计数 p，分别按公式计算一下参数： 缠绕角α: D d sin = 圆柱段单程线转角： c = 360 D Lc tg 封头转角： ) 2 90 sin ( 1 D Le tg d e − = + − 单程线芯模转角： t = c + 2 e 丝嘴往返一次芯模转角： n N n K n = ( + ) 360 式中: n—缠绕一个标准线在极孔的切点数； —时序相邻芯模转角增量。 速比： = = n 360 i i i i 微调速比： nDcos b i = 螺旋缠绕层数： Nf M D p J cos ) 2 ( 2 = b D M 2 cos = [一个缠绕循环是两层，其总的纱带数（粗纱数）] 式中： N —纱带（粗纱）的纤维股数； f —纤维的股强（实验 1 中数据）。 环向缠绕层数： Nfm D p n 2 2 = b m 1 = (每厘米长度的周长中排的纱片数)
一旦J和n出现小数点，则进位为整数，然后再反复算出设计容器的爆破压力p。3、MCFW-3-300微机控制纤维缠绕机简介及可实现功能：本实验使用的缠绕设备MCFW-3-300卧式微机控制纤维缠绕机是由武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所设计制造，该机采用卧式结构，三轴控制包括主轴转动、小车直线运动、伸臂直线运动；配有胶槽温控系统；缠绕机控制系统采用德国西门子数控系统，交流伺服驱动系统和交流伺服电机，可满足24小时连续工作，是目前国内配备齐全，性能先进的纤维缠绕机。具有可靠性好、适应性强、精度高的特点。主要可实现功能：（1）可以缠绕成筒形、筒形罐、球形罐。（2）具有手动、自动、回原点、故障显示、故障清除、行程限位等功能。（3）数控主要屏幕可以显示主轴转过的角度、小车已经移过的距离、伸臂已经移动的距离及主轴、小车和伸臂步移所剩距离、（4）在缠绕过程中，PC计算机可与西门子数控脱开，缠绕控制全部由西门子数控完成，可靠性强，精度高。（5）在数控主界面，按OFFSETPARAM软键，进入R参数界面；在R参数界面中R52为本螺旋层小车往返次数，R50为本螺旋层已小车往返次数，R80为一个完整螺旋层小车
一旦 J 和 n 出现小数点，则进位为整数，然后再反复算出设计容器的 爆破压力 p。 ３、MCFW-3-300 微机控制纤维缠绕机简介及可实现功能： 本实验使用的缠绕设备 MCFW-3-300 卧式微机控制纤维缠绕机 是由武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所设计制造，该机采用卧式 结构，三轴控制包括主轴转动、小车直线运动、伸臂直线运动；配有 胶槽温控系统；缠绕机控制系统采用德国西门子数控系统，交流伺服 驱动系统和交流伺服电机，可满足 24 小时连续工作，是目前国内配 备齐全，性能先进的纤维缠绕机。具有可靠性好、适应性强、精度高 的特点。 主要可实现功能： （1）可以缠绕成筒形、筒形罐、球形罐。 （2）具有手动、自动、回原点、故障显示、故障清除、行程限 位等功能。 （3）数控主要屏幕可以显示主轴转过的角度、小车已经移过的 距离、伸臂已经移动的距离及主轴、小车和伸臂步移所剩 距离、 （4）在缠绕过程中，PC 计算机可与西门子数控脱开，缠绕控制 全部由西门子数控完成，可靠性强，精度高。 （5）在数控主界面，按 OFFSETPARAM 软键，进入 R 参数界 面；在 R 参数界面中 R52 为本螺旋层小车往返次数，R50 为本螺旋层已小车往返次数，R80 为一个完整螺旋层小车
往返次数，R90为当前缠绕层数（包括环向），R10为主轴旋转总角度值。4、NOL环的制作原理：NOL环完全是纤维环向缠绕而成，纤维是连续的没有切断。在对NOL环作拉伸实验时，所施加的应力几乎接近于无缠绕变形的纤维拉应力，因此得到是纤维在环形状态下的受拉强度。如在制作NOL环时记录了纤维束缠绕的圈数，就可以计算出纤维束强度。这种NOL环所表现出来的性能比任何其它方法更接近于纤维缠绕内压容器状态的材料性能，所以将NOL环所测出的拉、压、弯、剪等性能用于纤维缠绕结构的设计是有一定道理的。四、实验设备和器材1、MCFW-3-300微机控制纤维缠绕机：2、芯模轴、形状刮刀、麻绳、石膏等；3、NOL环拉伸试验装置、NOL环压缩试验装置、NOL环弯曲试验装置、NOL环剪切试验装置。4、万能试验机型号：MDW-20五、实验步骤1、芯模的制作：（1）将草绳或麻绳（根据所做产品所需内径要求选用草绳还是麻绳本次实验力学性能测试所需标准试样内径为150mm，所以选用较粗的草绳）的一端用胶带固定在芯模轴的一端，然后在轴上做径向缠绕，大概径向缠250mm后反向缠，反复缠3层，然后把绳头
往返次数，R90 为当前缠绕层数（包括环向），R10 为主轴 旋转总角度值。 ４、NOL 环的制作原理： NOL 环完全是纤维环向缠绕而成，纤维是连续的没有切断。在对 NOL 环作拉伸实验时，所施加的应力几乎接近于无缠绕变形的纤维 拉应力，因此得到是纤维在环形状态下的受拉强度。如在制作 NOL 环时记录了纤维束缠绕的圈数，就可以计算出纤维束强度。这种 NOL 环所表现出来的性能比任何其它方法更接近于纤维缠绕内压容器状 态的材料性能，所以将 NOL 环所测出的拉、压、弯、剪等性能用于 纤维缠绕结构的设计是有一定道理的。 四、 实验设备和器材 １、MCFW-3-300 微机控制纤维缠绕机； ２、芯模轴、形状刮刀、麻绳、石膏等； ３、NOL 环拉伸试验装置、NOL 环压缩试验装置、NOL 环弯曲试验 装置、NOL 环剪切试验装置。 ４、万能试验机型号：MDW-20。 五、 实验步骤 １、芯模的制作： （1）将草绳或麻绳（根据所做产品所需内径要求选用草绳还是麻绳， 本次实验力学性能测试所需标准试样内径为 150mm，所以选用较 粗的草绳）的一端用胶带固定在芯模轴的一端，然后在轴上做径 向缠绕，大概径向缠 250mm 后反向缠，反复缠 3 层，然后把绳头
固定在另一端。（2）将草绳缠好的芯模轴用三角爪盘固定在缠机上，安装好刮刀使芯模中心到刮刀刀锋的距离为75mm。（3）打开缠绕机电源开关，使主轴正转，转动倍率在6左右，并将配制好的模型石膏浆体快速均匀的抹在草绳上，当石膏达到一定厚度时刮刀刮下超过厚度的石膏，最后做成一个长250mm左右直径150mm的筒形芯模。2、纤维缠绕操作：（1）根据芯模的基本尺寸确定缠绕线性：（2）将芯模表面用玻璃纸全覆盖，贴好后作为脱模膜。（3）确定速比i=<+N，需查《复合材料实验技术》P63表4-1。速n比微调△i由主轴转动带动纵向螺旋缠绕的载纱带的小车运动的挂轮比·%的值决定。缠绕操作时应注意纵向缠绕和环向缠绕BD的机器转动装置的差别。观察△i的正负号的影响。（4）确定纵向层数和环向层数的层次序分配，要明确列出先后顺序，并在操作中执行。（5）配制树脂，装好纱团，按列好的纵环先后次序开始缠绕，一直进行到全部缠完。（6）观察纱带的排布情况，环向是按丝杠螺旋距宽度排纱，纵向是按速比微调△i排纱。（7）缠绕完成后，将缠绕件加热升温固化，并不断旋转，以免流胶。注意芯模的热容量以及潮湿等原因，要适当延长热固化时间
固定在另一端。 （2）将草绳缠好的芯模轴用三角爪盘固定在缠机上，安装好刮刀， 使芯模中心到刮刀刀锋的距离为 75mm。 （3）打开缠绕机电源开关，使主轴正转，转动倍率在 6 左右，并将 配制好的模型石膏浆体快速均匀的抹在草绳上，当石膏达到一定 厚度时刮刀刮下超过厚度的石膏，最后做成一个长 250mm 左右直 径 150mm 的筒形芯模。 ２、纤维缠绕操作： （1）根据芯模的基本尺寸确定缠绕线性； （2）将芯模表面用玻璃纸全覆盖，贴好后作为脱模膜。 （3）确定速比 N n K i = + ，需查《复合材料实验技术》P63 表 4-1。速 比微调 i 由主轴转动带动纵向螺旋缠绕的载纱带的小车运动的 挂轮比 D C B A • 的值决定。缠绕操作时应注意纵向缠绕和环向缠绕 的机器转动装置的差别。观察 i 的正负号的影响。 （4）确定纵向层数和环向层数的层次序分配，要明确列出先后顺序， 并在操作中执行。 （5）配制树脂，装好纱团，按列好的纵环先后次序开始缠绕，一直 进行到全部缠完。 （6）观察纱带的排布情况，环向是按丝杠螺旋距宽度排纱，纵向是 按速比微调 i 排纱。 （7）缠绕完成后，将缠绕件加热升温固化，并不断旋转，以免流胶。 注意芯模的热容量以及潮湿等原因，要适当延长热固化时间
否则将会固化不完全。（8）脱模。将钢轴由小头向粗头方向敲出来，然后从轴孔将麻绳头取出并抽出所有麻绳，最后轻缓并小心的将石膏壳弄碎并掏出来，注意别使壳受损。3、NOL环试验样品制作：（1）NOL环拉、压、弯、剪试样如图1～图4所示。不难看出，NOL环的弯曲和剪切试样是由NOL环压缩试样切割而成的，拉伸试样尺寸除厚度小一半外，其它尺寸与压缩试样尺寸一样，所以厚度大的NOL环数量要多一些。6±0.26±0.2图1NOL环拉伸试样图2NOL环压缩试样090±1图3NOL环弯曲试样图4NOL环剪切试样（2）用圆柱作模具，圆柱长度应保证在一次能切割10个NOL环为宜，注意留出切割刀具的尺寸
否则将会固化不完全。 （8）脱模。将钢轴由小头向粗头方向敲出来，然后从轴孔将麻绳头 取出并抽出所有麻绳，最后轻缓并小心的将石膏壳弄碎并掏出 来，注意别使壳受损。 ３、NOL 环试验样品制作： （1）NOL 环拉、压、弯、剪试样如图 1～图 4 所示。不难看出，NOL 环的弯曲和剪切试样是由 NOL 环压缩试样切割而成的，拉伸试 样尺寸除厚度小一半外，其它尺寸与压缩试样尺寸一样，所以 厚度大的 NOL 环数量要多一些。 图 1 NOL 环拉伸试样 图 2 NOL 环压缩试样 图 3 NOL 环弯曲试样 图 4 NOL 环剪切试样 （2）用圆柱作模具，圆柱长度应保证在一次能切割 10 个 NOL 环为 宜，注意留出切割刀具的尺寸
（3）在圆柱形模具上涂上脱模剂，然后用80支2股细纱进行环向缠绕，缠一段1.5土0.1mm厚度，另一段缠3.0土0.1mm厚度。进入固化炉中固化。（4）将固化好的圆筒用锋利的刀具，按试样尺寸切割成宽度为6土0. 2mm的NOL环。（5）取厚度为3.0土0.1mm的NOL环用锯切成弦长为90土1mm和30土1mm的弧，作为弯曲和剪切试样，每组试样不少于9个，且9个试样应从3个NOL环切割而成；所有试样均放于干燥器中。4、NOL环试验：（1）NOL环拉伸试验①将万能试验机通电预热；②将试样从干燥器中拿出，编号，并在通过试样圆心划一直径迹线于环的对称两侧做记号，然后分别测量记号处的宽度和厚度，各测两次取算术平均值，精确到0.02mm处贴应变片，作为应变仪电桥的一臂.不测弹性模量可不贴应变片；③将拉力盘装在试验机的上夹头处，将NOL环试样装在拉力盘上，参看图5和图6.试样划线处对准拉力盘的缝隙处，试样与盘的接触表面要加以润滑
（3）在圆柱形模具上涂上脱模剂，然后用 80 支 2 股细纱进行环向缠 绕，缠一段 1.5±0.1mm 厚度，另一段缠 3.0±0.1mm 厚度。进 入固化炉中固化。 （4）将固化好的圆筒用锋利的刀具，按试样尺寸切割成宽度为 6± 0.2mm 的 NOL 环。 （5）取厚度为 3.0±0.1mm 的 NOL 环用锯切成弦长为 90±1mm 和 30 ±1mm 的弧，作为弯曲和剪切试样，每组试样不少于 9 个，且 9 个试样应从 3 个 NOL 环切割而成；所有试样均放于干燥器中。 ４、NOL 环试验： （1）NOL 环拉伸试验 ① 将万能试验机通电预热; ② 将试样从干燥器中拿出,编号,并在通过试样圆心划一直径迹线于 环的对称两侧做记号,然后分别测量记号处的宽度和厚度,各测 两次取算术平均值,精确到 0.02mm 处贴应变片,作为应变仪电桥 的一臂.不测弹性模量可不贴应变片; ③ 将拉力盘装在试验机的上夹头处,将 NOL 环试样装在拉力盘上,参 看图 5 和图 6.试样划线处对准拉力盘的缝隙处,试样与盘的接触 表面要加以润滑
图5拉力盘之一半示意图图6NOL环拉伸实验装置图1一盘体：2一取孔环：3一挡环凸轮：4一定位销1一拉力盘：2一诺尔环；3一应变片④选定加载拉伸速度为8土2mm/min，均匀连续地施加载荷，直到破坏。③NOL环拉伸模量E按下式计算：APE=2bhA式中：E一拉伸模量，Mpa；△P一对应于应力-应变曲线上直线段的载荷增量值，N；△s一对应于△P的应变增量值。（2）NOL环压缩试验①将试样从干燥器中取出编号，在一直径对称的两侧划上记号，离记号20土2mm处贴应变片，并测量记号附近的环的厚度和宽度，精确到0.02mm。②将试样装在压力盘上，试样的记号处对准压力盘间隙的中间，试样与盘的接触面要加以润滑，使压力盘间隙保持6mm～8mm，参看图7
图 5 拉力盘之一半示意图 图 6 NOL 环拉伸实验装置图 1－盘体；2－取孔环；3－挡环凸轮；4－定位销 1－拉力盘；2－诺尔环；3－应变片 ④ 选定加载拉伸速度为 8±2mm/min，均匀连续地施加载荷，直到破 坏。 ⑤ NOL 环拉伸模量 E 按下式计算: = bh P E 2 式中： E －拉伸模量，Mpa； P －对应于应力-应变曲线上直线段的载荷增量值，N; －对应于 P 的应变增量值。 （2）NOL 环压缩试验 ① 将试样从干燥器中取出编号，在一直径对称的两侧划上记号，离 记号 20±2mm 处贴应变片，并测量记号附近的环的厚度和宽度，精确 到 0.02mm。 ② 将试样装在压力盘上，试样的记号处对准压力盘间隙的中间，试 样与盘的接触面要加以润滑，使压力盘间隙保持 6mm～8mm，参看图 7