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制造碳纤维复合材料应用在他们的飞机上，T700本来是工业上用来完成高拉伸性的工作，因为它的抗扭性抗拉性，弹性指数都很适合，在经过进一步地完善加工后，客户说明想要在抗拉性等方面优于碳纤维复合材料，后来人们又研制出了T1000，但是T1000也不是专门为了在飞机上应用的产品，T1000起初是以体育娱乐方面为主的，那时候飞机只有在飞机旋翼结构上应用了少量碳纤维复合材料，在上世纪末，飞机的承受力机构应用在了军事用飞机上，军方为了能使飞机拥有更好的速度和战斗力，不计成本只要求更好的性能，一度用量达到了最高值，但是长期下来，因为成本的压力无奈用量又降低下来，其实这都是因为军方不计成本地过度滥用，反观民用飞机的碳纤维复合材料一直不温不火，在上个世纪到本世纪初用量一直维持在一成左右，因为民用飞机不像军方可以不计成本，民用飞机需要权衡复合材料的使用成本，而现实是通过减轻自身重量的成本低于制造生产复合材料的成本，主结构飞机翼梁的成本也在不断提高，因此在对飞机性能没有十分极致的民用飞机中采用碳纤维复合材料的始终不多。

所以此后，世界学者主要围绕如何用低成本的打造出碳纤维复合材料这一课题展开了详细研究，再后来波音787的成功试飞，证明了碳纤维复合材料可以采用低成本的研制方法应用在现代飞机上，自此之后，航空飞机历史上正式进入了碳纤维复合材料时代，凭借碳纤维复合材料卓越的抗扭性，抗拉性，耐热性，耐腐蚀性，可自由设计性，造价成本低的特点被广泛应用。

2碳纤维复合材料的工艺制造复合材料不仅种类繁多，工艺制造上也有许多方法，目前工业上主要以预浸料的铺层固化法制作，用于模压成型，热塑造等工艺方法，近些年世界主要流行预成型件成型技术，可以使用液态浇筑塑造整体模型，这样既可以降低成本造价，还可以使分层剥离问题得到解决，还大大提高了彼此层间的联系强度，受到外界剧烈撞击后的极限压缩强度，目前在航天飞机上，基本都会以碳纤维复合材料为结构制造。

图1 碳纤维复合材料成型工艺类型2.1模压成型模压成型工艺是复合材料生产中最基础也是以前人们最常用的一种生产方法，模压成型工艺是在普通的塑料制品模压基础上进一步加工完善形成，主要步骤是首先浸泡碳纤维复合材料，随后将碳纤维复合材料放在上下层之间，然后将形成的模板放在成型台上，通过先进的液压技术经过长时间的高温高压固化后，取下碳纤维复合材料。

这种模压成型工艺技术制作效率高，完成品质高，误差也小，并且不会因为温度湿度含氧量等外界因素干扰，可以成规模的大量生产高精准度的材料模件，但是也有一定的缺陷，比如制造时前期的制造工序繁多且操作难度较高，制作的尺寸大小受限于仪器设备参数。

2.2热压罐成型热压罐成型是最早开发用于航空结构复合材料制造并仍普遍使用的一种技术，特别是针对一些大尺寸、形状复杂的制作。

热压罐成型工艺流程为：将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程。

这种成型工艺采用的原料也是碳纤维预浸料中间体，其具有可固化不同厚度的层合板、可制造复杂曲面零件、适用范围广泛、工艺稳定可靠等优点，但也存在设备投资成本高、工艺生产成本高、制品大小受热压罐尺寸限制等缺点这种热压罐成型普遍应用于飞机的舱门支架.2.3树脂转移模塑成型树脂转移模塑成型技术对成本的要求不高，能够使用低成本制造优秀的复合材料，一开始是飞机上主要承力的部位，因为它有出色的抗扭性和抗压性，但是在最近几年经过进一步的加工制造，树脂转移模塑成型技术不仅只在航空航天中得到应用，在汽车等地面交通工具是近期发展的流行之一，树脂转移模塑成型技术的工作成本低，工作效率高，完成的产品质量也高，并且还不受温度等环境因素影响，在处理复杂的大型复合材料制作中，树脂转移模塑成型技术的核心是先根据设计要求制作模具，然后放置需要的工作材料，制作合适的形体，在可以承受的压力水平内，用专门的仪器设备将树脂成体系的注入到闭合模腔，通过树脂与增强体相互融合逐渐成形，浸润的染料不提前使用预浸料，也不用提前成型，树脂转移模塑成型技术可以真空导入塑样，柔性辅助树脂转移模塑成型，通过HP-RTM实现预先设计的模型，在高压下注射完成高性能热固性复合材料的浸渍和固化工艺，真空辅助排气系统帮助制作中不会有空气杂质的影响，这种树脂转移模塑成型技术最好的应用厂商就是宝马公司的碳纤维车，宝马公司一直使用树脂转移模塑成型工艺，不仅大大降低了他们的生产成本，还在最短的时间中生产出了保质保量的碳纤维车。

3.碳纤维复合材料的发展前景碳纤维复合材料具有无穷的发展潜力和广阔的发展前景，但是目前还存在许多问题，产品结构不尽合理，它主要用于中、低质量的产品。