一、项目简介

复合材料缠绕产品是能够最大发挥复合材料强度的结构形式，具有强度高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀、寿命长等突出优点。其中用缠绕技术制造的压力容器在汽车、家用液化气、医疗保健及气动工具气瓶等领域有广泛的市场。尤其是在国防军事方面，飞机、导弹、卫星等的关键部件具有结构复杂、强度要求高、重量轻等特点。传统的制造工艺不能满足以上要求，必须采用先进的纤维缠绕/铺放（自动铺丝束）成型技术与装备。该项目也正是在此背景下提出的。

我国目前正积极推广代用燃料汽车以解决城市空气环境污染，液化石油气汽车已经在各个城市推广普及。除汽车外，城市内还有大量的助力机动车和摩托车，由于发动机限制，其尾气污染比汽车更严重，采用液化石油气作为代用燃料成为必然趋势之一，目前已经开发研制出多种型号代用燃料助力机动车和摩托车。对于汽车而言，代用燃料可以用钢瓶贮存；而对于助力车、摩托车，由于车身自重小，代用燃料则需用复合材料缠绕气瓶贮存，复合材料缠绕气瓶的另一个优点是罐壁呈半透明，可以直接观察内装燃料多少。由于助力机动车和摩托车适合中国市场现有消费水平，市场保有量相当大，复合材料缠绕气瓶会很快形成巨大的市场。如果有5％的助力机动车和摩托车采用代用燃料，只要其中20％采用复合材料气瓶，则市场需求量超过5万只/年。

随着人民生活水平的提高，对医疗保健要求越来越高，保健吸氧和功能性吸氧越来越多、日益普及；另一方面旅游、高原工作及其他特殊工作也需要配备氧气瓶。便携式复合材料氧气瓶不仅重量轻，而且没有爆炸危及人身安全的危险，有很大的市场前景，保守估计市场需求量超过2万只/年。在与法宇航合作谈判过程中，我们与武进高新技术产业开发区多次洽谈，企业对开发复合材料缠绕气瓶表现出极高的积极性，目前正在进行市场调研工作。

由于复合材料缠绕产品技术含量较高，国内目前只有几个研究所具有研制和少量生产能力，且设计水平较低，市场份额很小，而先进的纤维缠绕/铺放（自动铺丝束）成型技术与装备在国内尚属空白。由于巴黎统筹委员会对中国禁运，不仅自动铺丝束成型设备不能进口，即使4自由度以上的缠绕机亦不能直接进口。目前国内高性能复合材料结构基本上以手工铺层、真空热压罐成型为主，质量稳定性差、可靠性低、材料利用率低、浪费辅助材料，制造周期长、费用高，难以实现复杂的结构设计要求。

自动铺丝束成型技术是九十年代中叶投入应用的一项尖端技术装备。目前美国Boeing公司采用7轴24丝束自动铺放系统生产出了Boeing747及767的直径3米的发动机进气道整流罩试验件；Northrep-Grumman公司用该技术制造出C-17的复杂复合材料发动机短舱门以及F/A-18E/F的进气道、GE90的风扇叶片等；Airbus飞机机型内连杆等航空关键部件。

鉴于目前国内复合材料缠绕压力容器（如压缩天然气气瓶、呼吸救助气瓶等）市场看好，已有数家厂商从国外引进整套缠绕生产线，但产品技术转让费用很高（随生产线转让十几至几十万美元，单独转让上百万美元）。因此开发复合材料缠绕技术有极大的市场。由于自动铺丝束成型技术装备是九十年代发展成功的一项高新技术，目前只有美、法少数几个西方国家拥有这种设备；且这种设备价格高达每台300～400万美金。而巴黎统筹委员会及美国对中国禁运这种尖端技术。我国要发展自己的国防工业，发展自己的复合材料高技术，就必须立足于自己研制开发该项技术设备。作为一种复合材料通用制造技术，研制开发复合材料自动铺丝束技术设备，可以实现复合材料设计制造技术的重大技术进步，具有极为重要的国防应用价值与技术意义。同时对我国的机器人技术的发展同样具有重要的参考与应用价值。

二、技术可行性分析

复合材料缠绕气瓶的关键技术是疲劳设计技术和制造技术，疲劳设计技术包括内衬设计、接嘴设计和缠绕线型设计技术。制造技术的关键是高精度缠绕设备和缠绕CAD/CAM，目前7自由度纤维缠绕铺放设备已经研制成功，采用PMAC-PC8控制、交流伺服系统实现7自由度控制，控制可靠先进。通过研制七自由度数控纤维缠绕铺放设备，可以实现高精度缠绕。我们开展缠绕技术研究和CAD多年，有一定积累，目前正开展非回转体CAD研究，已有阶段性成果，可以确保项目完成。

产品开发研究首先从压力等级较低的液化气气瓶开始，积累经验后再开展压力等级较高的便携式复合材料氧气瓶和家用氧气瓶研制。而且我们有关气瓶等压力容器的压力爆破试验设备齐全，压力最高可达100MPa。

三、项目研究开发方案

1） 七自由度数控纤维缠绕/铺放设备研制  七自由度数控缠绕/铺放设备通过设计、加工以及调试等过程，目前我们已经研制成功。其中数控缠绕设备三自由度部分已用于开发简单形体缠绕产品（如高强度高模量环和气瓶等）；根据所开发的复合材料缠绕制品技术要求，将缠绕设备扩充到七自由度（七自由度纤维缠绕/铺放设备不仅可以用于开发结构复杂的民用复合材料产品，而且可以用于军用武器型号的研制开发，如复合材料缠绕S形进气道、缠绕复合材料包容机匣、微小卫星承力筒、局部大开口卫星承力筒部件、卫星及空间天文望远镜零膨胀系数网架及接头复合材料缠绕构件）；

2）首先研制压力等级较低的液化气气瓶，进入市场（目前已经与有关单位洽谈合作开发）；

3）研制压力等级较高的便携式复合材料氧气瓶和家用氧气瓶；

4）开发其它高档缠绕复合材料制品，如零膨胀系数复合材料管件等。

四、经济、社会效益分析

开发代用燃料液化气气瓶，推动代用燃料摩托车、助力车发展，降低空气污染有巨大的社会效益；而复合材料氧气瓶市场很大，开发此类产品则有重大的经济效益，复合材料制品的毛利均在50％以上。国外缠绕机制造厂商为推销其制造设备，首次转让产品技术时价格很低（随生产线转让十几至几十万美元），但产品再改型换代则价格非常昂贵。而开发代用燃料液化气气瓶，推动代用燃料摩托车、助力车发展，降低空气污染有巨大的社会效益和经济效益；而复合材料氧气瓶市场很大，贵（单独转让几十万美元甚至上百万美元），这恰为我们技术开发创造了机会；因此自主开发复合材料缠绕产品技术不仅会有好的经济效益，对推动技术进步将有重大的社会效益。

五、合作方式

合作开发，资金入股。

六、联系方式

南京航空航天大学    孔祥浩    科技开发办公室主任

电话：025-84892757      手机：13851550745       邮箱：std01@nuaa.edu.cn