碳纖維復合材料作為輕量化技術的關鍵材料之一，是以碳纖維作為主要增強體，與聚合物基體一起組成輕質、高強材料，與傳統金屬材料相比，具有卓越的機械性能、更高的抗腐蝕性能，目前它在輕量化領域已有取代傳統材料趨勢。截至2020年為止，碳纖維復合材料產量接近17萬噸。隨著大批量碳纖維復合材料產品的出現，復合材料工藝日趨成熟，為實現輕量化液壓缸制造提供了基礎。

　　

　　針對傳統液壓缸 (金屬材料) 向碳纖維復合材料液壓缸轉變，本文作者從碳纖維復合材料液壓缸筒體結構設計方面出發，闡述國內外碳纖維復合材料液壓缸筒體設計研究現狀，表明碳纖維液壓缸筒體設計參數對液壓缸性能的影響; 其后通過對纏繞成型制作液壓缸筒體技術綜述，說明工藝參數對產品性能的影響規律; 最后對復合材料液壓缸缸體、液壓缸設計參數如何影響液壓缸性能，及纏繞成型工藝參數對液壓缸制造發展的指導進行了展望。

　　

　　1.碳纖維復合材料液壓缸筒研究現狀

　　

　　液壓缸作為液壓系統的核心零件之一，其作用舉足輕重，傳統液壓缸主要是由缸頭、缸蓋、缸筒、活塞、活塞桿以及密封件組合而成，如圖1所示。

　　

　　

　　

　　現階段，液壓缸筒體主要由全金屬制造而成，國內外已有許多研究成果，而在液壓缸產業不斷升級過程中，輕量化液壓缸方向映入研究者的眼中。液壓缸筒體采用碳纖維復合材料替代傳統金屬材料是升級的一種有效方式，其余部件仍主要使用金屬材料。目前碳纖維復合材料液壓缸筒體結構主要有2種: 一種是在加工好的金屬材料內襯外進行纖維鋪放成型; 另一種是在成型好的碳纖維復合材料筒體內表面噴涂涂層。

　　

　　1. 1 金屬內襯復合材料液壓缸筒體

　　

　　整體采用金屬材質的液壓缸，其質量一直保持在一個非常高的位置。通過采用碳纖維復合材料制造筒體承載層，金屬內襯材料作為耐磨、防油滲層，液壓缸能夠極大地減少質量。帶有金屬內襯的液壓缸筒體

　　

　　如圖 2 ( a) 所示。基于上述結構，1985 年，日本萱場工業研制出只能承受 7 MPa 正常壓力的碳纖維液壓缸筒體，隨后將管 道 與 筒 體 一 體 成 型， 其 耐 壓 力 提 高 到14MPa。2013 年，派克公司就可以供貨碳纖維復合材料液壓缸，其工作壓 力可達30MPa，質量減少60%，幾款超輕液壓缸如圖2(b)所示，其中圖2(b)右下角所示液壓缸為Lightraulics S－系列，工作壓力可達70MPa，質量為248kg。H?nchen公司在2015年自主研發了金屬材料與CFK 碳纖維增強合成的材料，稱之為H－CFK，利用該材料制造了碳纖維液壓缸如圖2(c) 所示。Polygon公司研發出了碳纖維復合材料液壓缸產品－Polyside，如圖2(d)所 示，該液壓缸能在300psig ( 約2MPa) 壓力下，脈沖次數可達520萬次; 針對缸筒與缸蓋材質的不同，設計出了“捕獲式”裝配、壓 力裝配、內嵌型裝配、復合桿裝配、連接桿裝配等方式。

　　

　

　　

　　國內左美燕對液壓缸輕量化進行了開發，不同于采用合金材料27SiMn，而是采用20MnTiB合金為缸筒內襯，以纏繞工藝制作碳纖維復合材料筒體，但是并未見產品實物。哈玻院的孟玲宇等制造帶有金屬內襯的復合材料液壓缸，如圖2(e)所示，筒體的金屬內襯先由機加工而成，通過纏繞工藝將復合材料與之結合，內襯采用珩磨保證內表面光潔度。與理論上金屬液壓

　　

　　缸相比，質量減輕了 45%，但其具體性能參數并未見詳細報道。

　　

　　汪志南等從材料鋪層角度方面研究，對復合材料液壓缸結構進行了開發，金屬內襯式筒體結構同樣被提出，構建筒體的力學模型，利用ABAQUS有限元軟件對筒體進行強度校核，分析表明: 金屬內襯碳纖維筒體減重可以達到45. 8%，增加環向鋪層可以有效提高缸筒內壓承載能力。

　　

　　浙大張軍輝團隊提出的具有聯接結構的碳纖維復合材料缸筒，其特點是有一端可以拆卸，方便更換; 其原型機缸內徑為50mm，缸桿直徑為28mm，缸長度為745mm，最大工作壓力可達37. 5MPa，結構如圖2(f)所示。

　　

　　意大利布雷西亞大學的 SOLAZZI 教授及其團隊針對起重設備上的液壓缸進行了一系列研究:

　　

　　(1) 針對由鋁合金內襯及復合材料筒體制成高壓液壓缸進行可行性研究，對復合材料液壓缸進行分析，對比傳統鋼材液壓缸，其減重高達80%以上，但其液壓缸承載層為玻璃纖維復合材料制成，僅用應變儀測得缸筒外表面應變，并且密封性能也無法得知。

　　

　　(2)在其后的研究中以最大工作壓力為約束目標，對起重設計液壓缸結構尺寸參數進行優化，得到最優液壓缸設計尺寸。

　　

　　(3) 從選材( 結構鋼、不銹鋼、鋁合金和復合材料)到結構(可伸縮式液壓缸)分析，質量減重96%，早在2010年，布雷西亞大學就對伸縮式液壓缸可能發生失穩而進行屈曲試驗分析。

　　

　　(4) 采用鋁合金(7075 T6)與碳纖維環氧樹脂復合材料設計出液壓缸，從理論上進行有限元分析，圖3所示為碳纖維筒體剖視圖。

　　

　

　　

　　(5) 經過相關研究后，對不同材料液壓缸疲勞性能進行測試，結果表明: 復合材料液壓缸靜態疲勞性能與標準鋼制成的液壓缸靜態疲勞性能相當。康科迪亞復合材料中心機械與工業工程系ＲOUHI等提出變剛度的復合材料液壓缸筒體，如圖4所示，理論上與準各向同性缸體相比，屈服強度提升28%，實際測試后，其剛度提升了18.5%。上述研究中盡管從結構設計、部分實物試驗等方面進行了研究，但許多研究仍處于理論研究階段，需要實物及相關試驗對比。

　　

　　

　　

　　

　　

　　1. 2 涂層內襯復合材料液壓缸筒體

　　

　　金屬內襯與復合材料一體作為缸體是目前碳纖維液壓缸設計的常用方式之一，但是液壓缸使用時，由于材料的力學性能不同和長期往復使用，會導致材料之間出現臨界失效應力。為此， SCHOLZ 和KＲOLL采用改性后加入納米Al2O3和SiO2的環氧膠來替代金屬內襯層，如圖5所示。當在頻率為0. 4Hz、初始壓力為35MPa的條件下，循環工作超5000次后，表面粗糙度由1. 5μm下降到0. 29μm，其優異的耐磨性及耐化學性使液壓缸工作壽命得到提升。

　　

　　1. 3 全復合材料液壓缸筒體

　　

　　

　　

　　武漢理工大學周祖德等提及一種全復材的液壓缸專利，沒有實物圖進行對比，性能參數也未見報道。

　　

　　李正鳳揭示出一體成型液壓缸存在無法修理、易報廢等問題，提出可更換復合材料液壓缸，但其密封性能有待測試、承壓能力受限。弗羅茨瓦夫理工大學LUBECKI團隊研制的液壓缸樣機如圖6所示，在2008年LUBECKI曾就復合材料液壓問題進行討論，討論內容主要涉及液壓缸由金屬到全復合材料的轉變，采用復材替代金屬后其密封性能及摩擦副的變化。

　　

　　國內外研究者均對碳纖維復合材料液壓缸進行設計分析，表明當前液壓缸由金屬材料向碳纖維復合材料轉變的可行性。在此基礎之上，仍然需要進行大量的工藝試驗驗證諸如密封、疲勞、泄漏、沖擊等性能。

　　

　　2 碳纖維復合材料液壓缸筒體制造工藝

　　

　　2. 1 纖維纏繞成型工藝

　　

　　復合材料制造成型工藝主要有: 手糊成型、模壓成型、ＲTM成型和纏繞成型等。目前機械化程度相對較高的是纏繞成型。對于復合材料液壓缸筒體，其產品形狀接近圓柱形，制造方式一般是通過纖維纏繞成型工藝完成。纏繞成型工藝分為纖維纏繞和布帶纏繞2類:

　　

　　（1) 纖維纏繞。纖維纏繞成型工藝是將連續纖維 ( 碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等) 按設計線型纏繞在芯模上，按照設計角度，繞到所需厚度后，再固化、脫模得到制品。纖維纏繞有濕法和干法 2 種: 濕法纏繞是在纏繞前使用樹脂浸潤纖維后在芯模上連續地纏繞，形成纖維纏繞的復合材料結構; 干法是將浸膠后的纖維加熱預固化，收卷上盤待用，纏繞時再加熱軟化纏繞到芯模上。

　　

　　(2) 布帶纏繞。布帶纏繞成型工藝所用的預浸帶通常在臥式浸膠機上進行制備，膠液一般是一定濃度的樹脂酒精溶液，碳纖維布 ( 或玻璃布等) 經熱處理爐后，通過浸膠槽浸漬膠液，浸漬時間因織物厚度不同而有所差別，通過牽引速度來控制浸漬時間，然后經烘干爐烘干，使浸膠布達到一定質量指標，最后裁減、卷盤。成型工藝上與纖維干法纏繞成型類似，預浸帶在加熱和施加張力的條件下，按設計線性纏到芯模上，纏到設計厚度后，裝入真空袋，真空固化成坯，抽真空、固化成型，固化過程需用熱壓罐提供溫度和壓力，最后再機加工外形輪廓。對比纖維纏繞成型工藝，布帶纏繞的纖維織物可以是平紋、斜紋、緞紋、人字紋等形式，或者是定向纖維帶、專用針織帶，以滿足纏繞工藝的特殊要求。纏繞制品還具有材質均勻、強度高、質量穩定、內型面尺寸精確等優點。所以液壓缸制造過程當中，纏繞成型工藝是影響制造液壓缸的主要因素。纏繞成型過程當中纏繞張力和纏繞角度對產品性能影響較大，針對這一問題，已經有學者進行了研究，具體如下。南京工業大學的陳亮等人研究了纏繞張力和纏繞角度對于筒體性能的影響，纏繞張力在30～100內，無論纏繞角度為±55°、±75°還是90°，其拉伸強度均與纏繞張力呈二次關系，拉伸強度也在90°纏繞時最大。航天材料及工藝研究所林松等人研究纏繞張力(50～ 90 N)對帶金屬內襯復合材料氣瓶的影響，結果表明，不同張力下，其拉伸強度也同樣呈現二次關系，其疲勞性能也與纏繞張力有關。寧波曙翔張雄軍團隊也分析過制造成型過程的關鍵工藝參數－結構性能的耦合關系，仿真研究揭示纏繞設計參數與工藝參數對液壓缸尺寸精度和力學性能的影響規律。NASEVA等研究纏繞成型中角度對所制成的管材力學性能的影響，以10°、45°和90°的纏繞角度進行了試驗，發現拉伸強度與纏繞角度關系較大，其中以90°纏繞拉伸強度最大。MEＲTINY等的研究也曾指明不同角度纏繞方式結合所制成產品性能最優異。GENG等從理論分析不同纏繞角成型的碳纖維和玻璃纖維復合材料筒體，以Tsai－Wu準則為基礎，找到了最優纏繞角序列。試驗結果說明: 纏繞角度變化過小會導致整個筒體強度不均勻，對于厚的碳纖維筒體而言，無論怎么改變纏繞角度都不能得到強度均勻的產品。從以上研究可以看出，纏繞張力對產品性能有一定的影響，張力過小時，纏繞過程中纖維與樹脂界面結合疏松，與內襯界面性能弱化，多余的樹脂會造成富樹脂層; 張力過大會導致纖維受損。因此，在纏繞過程中選擇合適的張力是制造產品的關鍵因素之一。而纏繞角度及比例需根據產品實際情況進行確定。

　　

　　2. 2 拉擠成型工藝

　　

　　拉擠成型工藝是連續生產線性復合材料制品的一種工藝方法，以樹脂作為基體材料，纖維、織物作為增強材料，在外力的牽引下，過導紗器和預成型模后，經過樹脂浸漬、預成型、熱模固化、定長切割，最后形成連續型規整截面制品的工藝過程。拉擠成型是已知復合材料成型工藝中纖維含量最高的，因此產品具有拉伸強度高(可以和同規格鋼鐵的拉伸性能相媲美) 、長度任意定、耐腐蝕、表面效果好、導熱系數低等特點。基于拉擠成型工藝，法國凡爾賽大學系統工程實驗室的ELASSWAD等，以膝關節為例，制作了碳

　　

　　纖維復合材料缸筒，首先利用遺傳算法對碳纖維液壓缸參數進行了優化，隨后利用優化后的參數進行制造，選用的纖維角度為0°、35°、90°，活塞桿只使用0°，整體結構包括拉桿式和膠接式。

　　

　　3 復合材料液壓缸未來方向

　　

　　無論是從產品性能質量還是可持續發展的角度看，液壓缸設備輕量化技術是未來的主要發展方向。文中指出從設計液壓缸結構出發，理論計算結果基本滿足液壓缸力學性能，當碳纖維復合材料與金屬部件連接裝配時，會出現裝配失準、部件的可替換等問題。為了克服以上這些問題，后續研究方向可以概括為以下幾點:

　　

　　(1) 裝配及標準化。復合材料液壓缸筒體在與其他部件裝配之前，需要進行精磨，保證各個部件配合公差; 另外無論國內還是國外每個公司所生產的配合件都沒有統一標準，因此復合材料液壓缸部件標準化是產品可替換的前提。

　　

　　(2) 制造技術。纏繞工藝成型作為筒體成型常用方式，其技術中各個參數對于產品制造的影響是顯著的，但是如何利用各個參數來綜合評價液壓缸性能，這是后續應該繼續研究的方向。

　　

　　4 結論

　　

　　文中從復合材料液壓缸結構出發，介紹國內外金屬內襯式液壓缸筒體、非金屬內襯式液壓缸筒體及全復材液壓缸筒體的特點，概括了液壓缸筒體輕量化研究現狀，隨后闡述了液壓缸筒體制造工藝主流為纏繞成型，說明工藝參數對于產品的影響，最后展望了復合材料液壓缸進一步的發展方向。國內外復合材料液壓缸筒體研究發展歷程說明:復合材料液壓缸輕量化技術潛力高、可設計性強，金屬內襯式液壓缸筒體是目前研究最多的結構方式，已有的研究表明金屬內襯的厚度減薄，復合材料筒體質量能夠進一步減輕。另外，隨著新材料的發展，內襯可以被非金屬材料替代，這些將進一步輔助復合材料液壓缸的發展。