先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced CompositeMaterials，ACM）是指高性能樹脂基復(fù)合材料，即用碳纖維等高性能纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，其綜合性能與鋁合金相當(dāng)，但比剛度、比強(qiáng)度要高于鋁合金。隨著先進(jìn)復(fù)合材料的持續(xù)快速發(fā)展，其應(yīng)用價(jià)值日益顯著，在提高航天產(chǎn)品技術(shù)性能方面，復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在作為輕質(zhì)化的結(jié)構(gòu)材料，更體現(xiàn)在作為滿足各種應(yīng)用需求的先進(jìn)功能材料，以及代表復(fù)合材料技術(shù)高層次發(fā)展的結(jié)構(gòu)/功能一體化和多項(xiàng)功能一體化的高新技術(shù)材料。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，在很大程度上取決于復(fù)合材料成型工藝。各種低成本制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，纖維縫合技術(shù)、樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型技術(shù)（RTM）、樹脂膜滲透成型技術(shù)（RFI）、低成本模具技術(shù)、低溫低壓固化技術(shù)、電子束固化技術(shù)、纏繞技術(shù)、鋪放技術(shù)等得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。其中，纏繞、鋪放技術(shù)是近年來發(fā)展最快、最有效的復(fù)合材料成型制造技術(shù)。纏繞技術(shù)是指在控制張力和預(yù)定線型的條件下，將預(yù)浸膠纖維或布帶連續(xù)地纏繞在相應(yīng)于制品內(nèi)腔尺寸的芯模或內(nèi)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。

 
圖1 自動(dòng)鋪帶頭

    鋪放技術(shù)是指通過使用鋪放設(shè)備按照一定規(guī)律把預(yù)浸膠纖維或布帶鋪放到模具表面，并用壓緊輥壓實(shí)。帶纏繞、帶鋪放則專指以預(yù)浸膠布帶為材料的復(fù)合材料纏繞、鋪放成型技術(shù)。目前，全世界已有多種類型的纏繞、鋪放設(shè)備投入項(xiàng)目研制和實(shí)際生產(chǎn)（見圖1和圖2）。纏繞、鋪放技術(shù)在降低制造成本和提高復(fù)合材料性能方面顯示出極大的優(yōu)越性和潛力。

 
圖2 自動(dòng)纖維鋪放機(jī)

    帶纏繞、帶鋪放成型及其優(yōu)勢(shì)

    1 帶纏繞成型

    帶纏繞成型技術(shù)是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的、最早的復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)。隨著材料工藝技術(shù)、裝備技術(shù)和設(shè)計(jì)理論與方法的進(jìn)步，帶纏繞成型技術(shù)快速發(fā)展。第一臺(tái)纏繞機(jī)于1947年在美國Kellog公司問世，隨后纏繞生產(chǎn)出第一臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，直徑5英寸（12.7cm），長5英尺（152.4cm）。20世紀(jì)50年代美國宇航局和空軍材料研究室用纏繞工藝成功研制出“北極星A3”導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，在質(zhì)量減輕1/2、射程提高1倍多的情況下，成本僅為鈦合金的1/10，從而奠定了纏繞成型工藝在尖端軍用產(chǎn)品制造中的重要地位。

    2 帶纏繞成型的優(yōu)點(diǎn)

    帶纏繞成型技術(shù)通過力學(xué)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮布帶拉伸強(qiáng)度高的特性，實(shí)現(xiàn)承受內(nèi)/外壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、軸向載荷等情況下產(chǎn)品的制造。與其他成型工藝相比，帶纏繞成型制品具有以下特點(diǎn)：

    （1）比強(qiáng)度高。

    帶纏繞成型的復(fù)合材料制品，其比強(qiáng)度比鋼高3倍，比鈦高4倍。這是由于纏繞所采用布帶的纖維束具有很高的拉伸強(qiáng)度，甚至高于合金鋼。同時(shí)纖維束的直徑很細(xì)，其表面微裂紋的尺寸和數(shù)量較小，從而減少了應(yīng)力集中，使得布帶具有較高的強(qiáng)度。

    （2）實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。

    帶纏繞成型可使制品結(jié)構(gòu)在不同方向的強(qiáng)度比最佳。也就是說，在纏繞結(jié)構(gòu)的任何方向上，均可使設(shè)計(jì)制品的材料強(qiáng)度與該制品實(shí)際承受的強(qiáng)度基本一致，使制品實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。

    （3）成本低。

    帶纏繞成型是各種復(fù)合材料成型方法中機(jī)械化、自動(dòng)化程度較高的一種，大大提高了生產(chǎn)效率。而該工藝采用的原料（預(yù)浸膠布帶），可批量生產(chǎn)，且浸膠方便，加工費(fèi)用較低。因此相對(duì)降低了復(fù)合材料制品的成本。

    3 帶鋪放成型

    為解決機(jī)翼、壁板構(gòu)件等大尺寸、中小曲率部件的復(fù)合材料成型，帶鋪放成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)鋪帶機(jī)由General Dynamics公司和Conrac公司合作完成，用于鋪放F16戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料機(jī)翼部件[4]。隨著大型運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)和商用飛機(jī)復(fù)合材料用量的增加，帶鋪放成型技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，鋪帶機(jī)技術(shù)也日益完備，目前帶有雙超聲切割刀和縫隙光學(xué)探測器的十軸鋪帶機(jī)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，鋪帶寬度最大達(dá)到300mm，生產(chǎn)效率達(dá)到1000kg/周，是手工鋪疊的數(shù)10倍。

    4 帶鋪放成型的優(yōu)點(diǎn)

    與其他成型工藝相比，帶鋪放成型技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

    （1）采用預(yù)浸膠布帶和低張力，不存在穩(wěn)定性的約束，帶鋪放成型技術(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇鋪層方向；

    （2）按照制件的模具形狀鋪放布帶，減少了原材料廢邊料，節(jié)省了原材料成本；

    （3）采用壓輥裝置，既可以實(shí)現(xiàn)任意曲面的成型，又可以保證成型壓力自動(dòng)可控，提高了制品質(zhì)量；

    （4）鋪放設(shè)備具有多自由度，不僅可以制造復(fù)雜型面的復(fù)合材料構(gòu)件，而且能對(duì)鋪層進(jìn)行剪裁以適應(yīng)局部加厚/混雜、鋪層遞減以及開口鋪層等多方面的需要，滿足各種設(shè)計(jì)要求，從而最大可能地節(jié)約了原材料，而且具有精度高、速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、性能好等優(yōu)點(diǎn)；

    （5）帶鋪放技術(shù)多采用功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的快速制造，迅速形成批量生產(chǎn)。