当我们谈到先进复合材料时，航空航天加工可以说明一切，自20世纪70年代以来，碳纤维一直被用于飞机生产。在制造飞机的零部件时，对碳纤维复合材料的依赖日益增加，于是先进复合材料在航空航天市场中应用也日益广泛。

航空航天工业为何青睐碳纤维？

如果我们希望航空发动机可以制造的足够轻盈，那么如何在条件允许的情况下尽量减小材料的密度是一个很好的方法。当年的钛合金就是因为轻质，并且在刚度、强度和高温性能合格，现在已经是一种被广泛使用的优秀航空材料。

但是金属毕竟是金属，即便是像镁铝合金那样的材料，密度也只是堪堪做到2000kg每立方米左右，而且金属材料都有一个很严重的问题，那就是金属有疲劳问题，当金属材料内部受到变化的力的时候，只要这个力足够大、作用的时间足够长，那么材料就会产生微裂纹，然后这样的裂纹会快速变长、直到整个材料都裂开。

所以这个时候一种新材料：碳纤维，出现在工程师们的视野中。

这种材料首先有一个最明显的优点：轻。碳纤维密度一般在1400~2000kg每立方米，经过环氧树脂强化的碳纤维密度也不过1600kg每立方米而已，远远好于金属材料。

而且这种材料抗拉强度极高，想要拉断高强度碳纤维材料需要用拉断同样横截面积钢铁的力的两到四倍。

另外，碳纤维跟金属材料不一样，碳纤维材料并没有所谓的“疲劳强度”的概念，也就是说变化的力对于金属材料来说是一种威胁，需要重点关注，但是放在碳纤维这里却不叫什么事情。

上面这些优点对于航空器材可以说是至关重要，因为这些东西是要飞上天的，所以自然是越轻越好，而且像航空发动机这样的装置，需要承受巨大、复杂的载荷，工作状态下零件内部会分布有复杂变化的载荷，有这么一种密度小、强度高、抗疲劳能力强的材料简直就是如有神助。

以下是飞机行业选择碳纤维的重要考虑因素：

局部之强可使整体更强：这些优势使得碳纤维复合材料用于生产从机翼、座椅到头顶舱、支架等飞机结构件。因此，先进的复合材料正在取代飞机制造中的许多金属部件，因为它们有可能实现较轻的结构部件，它还使碳纤维更容易进入汽车、能源、海洋和基础设施行业。

提高燃油效率并不是通过使用现代复合材料来降低航空航天加工零件制造成本的唯一方法。虽然复合材料的制造成本可能比标准金属或非增强塑料更昂贵，但其延长的寿命、更高的燃料效率和更低的制造成本可以抵消产品寿命期内的初始成本，这也使得碳纤维成为一种可行的替代品。

碳纤维的轻质与其伴随的强度相匹配，因此改进的复合材料对航空航天机械加工行业的未来至关重要。主要飞机制造商波音和空客使用的增强纤维的其他好处包括：

1、耐腐蚀性

2、降低生产成本

3、耐高温和高压的能力

4、刚度和灵活性。

在制造中使用碳纤维的优势有哪些？

碳纤维复合材料可以提高空气动力性能：空气动力学在影响飞机燃油经济性方面至关重要。飞机的设计越精简，燃油效率越高。碳纤维复合材料可以精确生产，以提供复杂而光滑的几何结构，从而使工程师能够优化飞机的空气动力学。此外，碳纤维坚固耐用，有助于无缝后掠翼设计。通过减少空气动力阻力，飞机的燃油消耗率可以降低50%。

碳纤维有助于开发更省油的飞机：飞机越轻，在航空业中运行和维护成本就越低。轻量化设计提高了燃油效率，降低了商用飞机的总体运营成本。碳纤维复合材料非常坚固，重量相对较轻。用碳纤维复合材料制造的飞机可以比制造的飞机轻近20%。事实上，专家估计，在飞机的整个使用寿命中，碳纤维每节省一公斤的重量，就可以节省大约100万美元。

它们适合创建复杂形状：用于传统飞机制造的金属合金通常是脆性的。因此，工程师们开始转向具有高延展性的碳纤维复合材料。这使得能够创建更复杂的形状，为飞机工程引入了一个新的创新领域。制造复杂的结构可以减少飞机部件的数量，以及安装部件所需的接头和紧固件的数量。这样做有两个好处：第一，更少的接头和紧固件将导致更快的组装时间；第二，为连接接头和紧固件而钻的每个孔都可能导致裂纹萌生。因此，减少它们的数量将使结构更坚固、更可靠。

碳纤维复合材料有助于减少飞机零件的使用：制造飞机所需的零件数量也会影响其重量、空气动力学和燃油效率。制造一架飞机所需的零件越多，意味着制造时间、重量、维护和费用就越多。幸运的是，碳纤维复合材料可以很容易地生产和成型，将许多部件组合成一个更坚固、更可靠的结构。

碳纤维耐腐蚀：在飞机制造中，使用碳纤维复合材料的另一个优点是它们比金属合金更耐腐蚀。这使得它们成为航空业的理想选择，因为耐腐蚀意味着更长的零件寿命、更好的维护和更低的运营成本。此外，当碳纤维与更强的树脂基体配对时，具有极大的抗裂性和抗疲劳性。

碳纤维复合材料可实现更快的制造：由于装配速度更快，且需要制造更少的零件，预计制造过程将加快。碳纤维复合材料是高度柔性的，这意味着它们可以被模塑成复杂的形状或组合成一个单一的结构。因此，生产商需要制造和组装的零件更少。这将缩短上市时间，加快制造过程。

碳纤维都被用在飞机的哪些地方

航空发动机的运转离不开大量燃料的燃烧，所以必然会产生极高的温度，比如说发动机涡轮前的温度可以高达2000℃。而碳纤维虽然也能够承受一定的高温，但是在这样程度的高温下却依然显得无能为力，尤其是环氧树脂本身很难承受200℃以上的高温。

而碳纤维材料虽然说强度很高，但是刚度不足，这也就意味着一旦发动机工作起来碳纤维做的零件会发生更大的变形，带来转静子之间配合状态的改变。尤其是在压力比较高的地方，一点点的缝隙都有可能造成安全问题和性能下降。

所以碳纤维材料在航空发动机中的应用相对较少，使用的位置主要是：风扇叶片。也就是我们平时坐飞机时能够看到的跟电风扇一样的那个东西。

风扇叶片这个位置距离燃烧室较远温度很低（事实上就是环境温度），而且这个位置压力比较低、对间隙控制没有那么严格。同时，这些叶片体积足够大，方便了碳纤维材料的加工，使用碳纤维材料也可以最大程度上发挥材料密度小的特点。

如果是在那些小叶片上采用碳纤维材料，不光加工起来费劲的不行（碳纤维叶片制造过程中的很多步骤都要依靠手工），替代完了发现重量没减少多少，实在是不值当。

未来使用碳纤维的飞机设计

在控制空气动力学效率和节省燃油方面，使用碳纤维代替传统金属来制造飞机可为飞机设计人员提供更大的灵活性。这种灵活性也使人们有机会改变传统的飞机设计。未来的商用飞机可能包括机身和机翼融合在一起的设计，类似于今天的某些飞机。这种类型的设计极大地提高了飞机的升/降比，使飞机在空气动力学方面更有效，同时仍减轻了重量。一架最新的空中客车概念飞机推出了一种带有更胖，弯曲的机身的飞机，旨在改善气流并提供更多的机舱空间。更长，更薄的机翼将减少阻力并提高燃油效率。U形尾巴可起到屏蔽作用，以减少发动机噪音。碳纤维甚至可以构思所有这些概念。

尽管自1970年代以来碳纤维已用于飞机制造中，但随着制造技术的提高，寻求新方法在商用飞机的设计和制造中使用这种不可思议的资源的方法已变得越来越普遍。由于碳纤维复合材料的重量轻，强度惊人，表面光滑，因此是制造飞机许多零件的理想材料。在飞机机体上使用碳纤维可以使它们更省油，更具空气动力学性能，并且可以用更少，更轻的零件制造飞机。所有这些因素加起来降低了制造和运营成本。难怪当今的概念飞机更多地使用了碳纤维复合材料，显然，碳纤维将成为未来建造飞机机体的主要材料。

其他常见的航空航天工业加工技术有哪些？

激光焊接：与传统焊接工艺相比，激光焊接可以实现更快、更精确的加工。因此，当需要高精度和再现性时，激光焊接是一种极好的材料处理解决方案。这也是一种结合不兼容材料的极好方法，这在典型的焊接工艺中可能很困难。事实上，激光焊接将极少的热量传递到被熔化的材料上，这可能是其最显著的优点。采用该技术，焊缝周围不会形成热影响区。此外，任何裂缝或材料缺陷都不会危及接头的性能。压力容器焊接、孔口钻孔、接近传感器焊接、前沿孔钻孔、电池焊接和敏感电子手套箱焊接都是激光加工应用的例子。

增材制造：航空航天机械加工行业率先发现了增材制造（AM）在开发具有先进材料和新颖几何形状的零件方面的巨大潜力。大多数部件使用粉末床激光打印技术进行打印。然而，也采用了替代的激光和电子束技术。AM还可以创建网格结构，特别是在机身内，可以减轻重量并帮助散热。AM可以创建一个部件来取代许多部件，减少潜在故障点的数量并简化组装。熔融沉积建模（FDM）是一种增材制造（AM）技术，它通过沉积半熔融热塑性塑料的超薄层来构建半中空物体，例如无人驾驶飞机系统机翼的蜂窝结构，降低重量，同时提高强度。AM也在朝着生产长度可达两米的更大零件的方向发展。例如，GKN飞机公司最近与美国能源部橡树岭国家实验室合作，开发了一种用于制造大型钛合金航空部件的大规模AM技术。

五轴加工设置：五轴加工中心的结构各不相同，机床的结构设计从基础上影响设备的性能，决定了刚性、加工精度、稳定性、可操作性等。五轴同时加工的优点是可以连续保持刀具进给方向和工件表面之间的适当角度，从而获得更好的表面质量和更好的倒角途径，同时还可以提高刀具寿命，节省一次夹紧的时间，并降低加工误差率。五轴联动广泛应用于模具制造领域的曲面加工，而三轴加二轴加工中心则用于平面加工。

在飞机制造中使用碳纤维复合材料为工程师在规划空气动力学效率和燃料节省时提供了更大的自由度。商业航空加工制造商可能会重新考虑机翼和机身一体化的设计，以提高飞机的升阻比。

自20世纪70年代以来，碳纤维一直被用于飞机生产。随着最近的技术突破，我们可以期待看到更强大和独特的飞机设计。

文章来源： 钱鑫博士，航空知识，碳纤维复合材料