碳纤维复合材料的工艺制造

碳纤维复合材料的工艺制造

摘要：飞机为了能够在高空中保持长时间的飞行，提高能源的利用率，整体的架构需要保证飞机自身的重量越轻越好，机翼梁作为飞机的重要承重部分更是需要维持自身的重量足够轻，相比以前飞机的结构材料，通过碳纤维复合材料搭建机翼梁不仅保持着自身的结构强度，提高了承重能力，还优化了自身重量，降低了燃油成本，提高环境舒适度，本文通过分析碳纤维复合材料和机翼梁的适用点，详细介绍了碳纤维复合材料机翼梁的工艺制造

关键词：碳纤维复合材料；航空航天；具体应用；工艺制造

前言

随着科技水平的不断发展，飞机领域的应用材料也在不断进步，相比于之前的铝合金等结构材料，碳纤维复合材料拥有更好的强度和刚度，并且在耐受性方面也十分突出，拥有卓越的耐高温性和耐腐蚀性，这两点对一直在高空中的飞机来说尤为重要，并且碳纤维复合材料的重量也很轻，综合以上优点，碳纤维复合材料在航空领域有着十分巨大的发展潜力，目前飞机的结构中就存在十分多的碳纤维复合材料，不管是民用飞机还是空客飞机都采取碳纤维复合材料。

1.碳纤维复合材料

在所有复合材料中，碳纤维复合材料是由一种经过热处理，全身由就成以上由碳纤维组成的特殊材料，由碳纤维经过深层次的加工成为复合材料，与传统的复合金属材料所不同的是，碳纤维复合材料强度更高，耐热性耐腐蚀性更强，重量更小，大型加工设计更加方便。

碳纤维复合材料与传统材料的性能结构上有着天壤之别，所以复合材料在结构上的规划设计不能采取传统材料的固定模式，否则就会造成复合材料成品之后还没有传统材料的硬度强，耐热性，耐腐蚀性高，成本也会比传统材料的高，给客户造成不必要的麻烦。更何况是飞机上采用碳纤维复合材料，更是不能有任何

问题的产生，一架飞机上承载着许多生命不能出现半点纰漏，所以问题的重点就

是能不能利用出复合材料的优点，研制出一种不管是产品性能质量上还是成本效

率上都比传统材料高的材料，并且将这种材料结合在飞机上，大力推广给全世界，目前，飞机普遍采用了碳纤维复合材料，但是能够有效地将碳纤维复合材料结合在飞机上的人才不多，我们需要重点培养这些人才。

1.1与传统材料的不同之处

在以前飞机的传统材料大多为铝合金材料，铝合金的强度是非常高的，可以

抵抗飞机在高空飞行时受到的强烈气流，并且铝合金的造价成本低，适合大规模

的生产应用，铝合金材料还可以通过加工强化成不同量级的材料，以适应不同的

要求，综合完善性能，集中挖掘铝合金材料的极限潜力，可以减少铝合金材料中

的杂质含量，提炼出高纯度的铝合金，这大大加强了铝合金的强度和抵抗能力，

降低了破碎风险，在抗腐蚀性方面也得到提高，所以铝合金材料在以前长期的作

为飞机航行中的首选材料，但是铝合金材料也有一定的缺点，铝合金材料在飞机

长时间的高空飞行中，结构容易受到腐蚀，耐久度不长都是问题，所以随着科技

的进步，人们一直在探索一种新型的材料来取代铝合金材料在飞机梁等重要部位

的构成，碳纤维复合材料的出现就是最好的取代品，碳纤维复合材料的密度很小，重量也很轻，这对于飞机减轻自重很有效，减少空气阻力对飞机的影响，而且碳

纤维复合的抗拉弹性，抗拉强度都明显优于其他传统材料，并且碳纤维复合材料

的使用寿命很长，耐热性和耐腐蚀性也都很出色，腐蚀性可以说是飞机材料使用

时间的一大问题，温度和化学反应等因素的影响都会使腐蚀飞机材料，但是碳纤

维复合材料就很好地避免了这个问题，而且碳纤维复合材料可以设计的空间很大，可以根据设计者的需求做成不同大小比例的尺寸，有些精密飞行器的要求很高，

可能会要求材料做到不受温度影响，设计者就可以设计成完全不受温度影响而产

生体积变化，从而实现零膨胀率，而且作为飞机上的乘客来说，复合材料可以提

高飞机舱内的气压，这也乘客就会拥有更好的飞行体验，普通材料在海拔较高的

地区就会使气压不足，复合材料凭借其抗拉性强的特点维持气压，乘客也不会出

现缺氧的症状，此外，由于碳纤维复合材料的不容易被腐蚀，这也会维持飞机舱

的适度湿度在一个合适的范围。

1.2碳纤维复合材料核心优势

碳纤维复合材料能够在当今世界受到广泛应用的原因就是它具有抗拉性，抗

扭性，耐高温性，耐腐蚀性强，冲击性能好等优良性质，但是除了本身性能的优

越之外，碳纤维复合材料的成本也很低，就像这张图所示，飞机结构能够做到低

成本相当不容易，碳纤维复合材料在材料方面通过降低材料成本，采用丝束纤维

等成本较低的纤维，与韧性树脂相结合的复合材料虽然具有更轻的重量，但由于

技术原因难以到达最终搁浅，另外提高材料本身的性能就相当于用了更少的材料，在制作技术上也有了新的改变，像RFI一样的非热压罐固化新工艺在一些飞机结

构上已经实现，还有VARTM一样的液体成形工艺通过实例告诉了世界此项技术有

效地降低降低成本，还有自动铺贴工艺通过自动化减少了人工铺贴成本，降低了

废品的二次回有效地控制有效地控制了成本。在飞机结构钢的整体设计布局中，

以往需要费时费力的高成本建造的一些复杂结构，现在可以使用部分的碳纤维复

合材料拼接而成，这样不仅降低了装拼的成本还减轻了重量，这种可以设计的灵

活性是其他材料没有的，可以适应各种环境条件下的各种需求，并且碳纤维复合

材料还在安全性上做出了巨大贡献。

1.3碳纤维复合材料具体应用

复合材料有许多种，但不是所有复合材料都适合作为飞机的组合材料，例如

硼纤维复合材料就曾尝试添加在飞机上，虽然强度耐热性，耐腐蚀性还可以，但

是因为硼纤维复合材料不易加工，现在只是在修理方面上有所应用，玻璃纤维则

因为难以满足飞机的弹性强度而被淘汰，芳纶复合材料在以前曾被认为是最佳的

飞机组成材料，但后来因为芳纶复合材料有效地抵挡抵挡潮湿而被禁止使用。只

有碳纤维复合材料杀出重围，凭借其强度高，耐热性好，耐腐蚀性好，造价成本

低的特点在现代飞机中得到大量应用。美国联邦航空管理局发布了《复合材料飞

机结构》中说明在飞机的选材上必须有严格的把控，在所有复合材料中，这些复

合材料对飞机的适应性都要相匹配，包括硼纤维复合材料，玻璃纤维，芳纶复合

材料，碳纤维复合材料，但是芳纶复合材料和硼纤维复合材料已经被明确禁止，

现在世界统一以碳纤维复合材料为飞机的首选材料，碳纤维复合材料的初代是

AS4，IM6,IM7等是第二代，那时候波音公司为了制造出更好更安全的飞机便要求