复合材料是将两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料，通过先进的制备技术合成的新材料。新的复合材料，拥有组成材料各自的材料特性各组成材料之间性能互补，可以达到性能的最优化目的。
满足某些结构性能上特殊的要求，成为发展高新技术领域的重要技术之一，目前复合材料工艺技术的发展得到越来越多的重视。材料复合化是新型材料领域目前发展的大趋势。
21世纪以来，复合材料的研究、制备技术和成果的应用转化发展迅速，从航天航空领域逐步扩展到医疗健康、国防、新能源等领域，包括汽车、建筑、化工、信息、高铁、风能、海洋、医疗、健身器材、电子电气等都越来越广泛地使用到复合材料。
有学者认为，目前人类己经进入了复合材料的时代，可以说，跟随复合材料不断向前发展的脚步，其涉及的范围也将越来越广阔，复合材料必将在未来的发展中扮演非常重要的角色。
半个多世纪以来，复合材料在很多方面的优势被越来越多地认识和发现，专家们判断，今后30-40年是碳纤维复合材料的新发展时期，随着它的大规模应用，将对航空航天领域的设计、制造等环节带来一系列的突破。
比如，创新的设计理念，非均质构型的研发取得了突破性的进展，出现了包括层状、双峰、岛状、网络、多芯等复合构型。
碳纤维具有耐腐蚀、导电性能好、高模量、热膨胀系数小、高强度、耐低温性能好、抗疲劳、尺寸稳定性高等优点，是目前先进复合材料中应用最广泛和最重要的增强体。
如果以碳纤维为增强相加入到铝基体中，不仅可以保留铝基体材料加工性能好、延伸性能高、重量轻等优点，同时也解决了铝基体抗拉强度低的缺点，使得碳纤维增强铝基复合材料兼具高强度和轻量化的优点，使用性能得到很大的提高。
直的长碳纤维的断后伸长率接近零，只有百分之几，几乎无法后续拉拔加工。本课题提出在铝基体中加入螺旋空间构型的可变形碳纤维，目的是降低其密度，进一步轻量化。
大幅度提高其抗拉强度，并具有一定的变形能力，可以进行后续的拉拔加工，同时预留一定的可变形能力，使其具有合适断后伸长率，满足其使用性能。
铝基碳纤维复合材料的高强度、低密度和碳纤维表现出来的优良的耐腐蚀、抗疲劳等一系列特性，在航空航天材料的轻量化和高性能化上扮演了及其重要的角色，并广泛用于战斗机机身、大型客机、航天飞机、火箭外壳和火箭推进器等领域。
每减轻150克航天飞行器的重量，将可以减少其运载火箭75公斤的重量，从而节省可观的成本，提高火箭的推进力，大幅降低能耗Ｗ。另外，碳纤维复合材料的高强度和高稳定性。
能使航天飞行器承受火箭发射过程中的强大加速度载荷和剧烈的震动。此外，也可满足如与太阳能电池翻板连接的导线、北斗卫星射频前端的天线和哈勃太空望远镜高增益天线悬架等航天器的次级结构的使用刚度需求。
本文提出一种“螺旋碳纤维增强铝基复合材料的制备及成形工艺”。瞄准航空航天用碳纤维复合材料的制备加工技术，重点研究螺旋碳纤维的空间构型对铝基复合材料的加工性能、拉伸性能、化学性能、组织结构及界面的影响规律。
改变传统复合材料高强度、低塑性的不足，在表现出高强度的同时，还具有高的塑性，具有很大的应用潜力。碳纤维增强金属基复合材料被大量使用在国防军工、航天航空、新能源、土木建筑、户外运动器材等领域。
主要应用在Ｘ射线诊断仪床板、卫星抛物面天线、飞机的一次结构材料和二次结构材料、风力发电机叶片和飞轮、碳纤维增强水泥和羽毛球拍等。
近年来，研宄人员对碳纤维增强树脂基、铝基、铜基、镍基等复合材料的成形工艺和组织结构做了大量的研宄工作，出现了比较成熟的制备工艺，但是在实际应用中还存在许多不足。
这些不足主要表现在以下几个方面：（１）由于碳纤维的表面惰性导致与铝基体之间的润湿性差，致使复合材料的综合性能没有得到完全释放；（２）基体和增强相碳纤维产生界面反应，形成了有害的界面层，比如Ａ１４Ｃ３脆性相等；
制备周期长、成本髙、工艺复杂；（４）碳纤维增强复合材料成型之后的二次加工存在困难。因此开展新型成型方法制备碳纤维增强金属基复合材料的研究，具有重要的理论意义和实用价值。
本文主要研究新的三维螺旋空间结构的碳纤维增强铝基复合材料的制备工艺和成形技术。
1.2晰维堆强金厲基复合材料碳纤维增强金属基复合材料顾名思义，是将金属作为基体、碳纤维作为增强相的复合材料。碳纤维材料是金属基复合材料中最常用、最重要的增强材料之一。
碳纤维增强的复合材料因其重量轻、高强度、热变形小、导电性能好、耐腐蚀和具备屏蔽电磁波干扰的功能等，被广泛地用于制造航天飞机的货舱门和机械臂、宇宙飞船的高增益天线、人造卫星的天线反射器、火箭和导弹的壳体、战斗机的机身蒙皮、汽车的发动机和传动系统零部件、深海油田的生产井管和近海平台的二次结构材料、高铁列车构件和机器人零部件等。
我国自主研制的“神州”系列宇宙飞船使用了碳纤维增强的复合材料，飞船整体减重１８％，达到了节能降耗的效果，并荣获了国家技术发明二等奖。
其主要应用在轨道舱支板、推进舱主承力结构、鼻锥帽结构、髙增益天线、返回舱骨架、波导元件、天线反射器等结构件，为神州飞船的发射成功做了积极的贡献。
目前，碳纤维增强金属基复合材料已成为我国碳纤维工业发展的重要方向，对其轻量化、低成本的制备工艺将成为下一步的研发重点。
碳纤维是由石墨的不完全结晶体沿纤维轴向排列的多晶体所组成。经过石墨化加工后，原有乱层石墨结构的碳纤维最终变成具有高取向度和高均匀度结晶的石墨纤维。碳纤维的含碳量较高，通常在９０％以上。
碳纤维作为一种新材料具有高强度，其抗拉强度通常在３２００-４５００ＭＰａ，是钢铁的５-７倍，抗拉弹性模量为２１０００-４５０００ＭＰａ也高于钢铁，比重小，相当于钢的１／５，因此具有很高的比强度。
此外，碳纤维还具有低电阻、高导热、低密度、耐腐蚀、耐摩擦、热膨胀系数低、化学惰性、抗疲劳、耐高温、柔软可加工性、抗辐射性能、抗冲击性等优点。因此，作为增强相成为先进金属基复合材料的首要选择。
碳纤维属于非均相结构，结构非常复杂。Ｂｅｎｎｅｔｔ和Ｊｏｈｎｓｏｎ［２４Ｍ￡用电子透射显微镜对ＰＡＮ基碳纤维的内部结构进行研宄，发现碳纤维的皮层和芯部存在异质性。
即碳纤维内部存在皮芯结构；皮层的石墨条带排列紧密且沿纤维取向有序排列；而芯部的石墨条带扭结、弯曲排列混乱，并存在大量孔隙。
对于碳纤维的内部结构，Ｒｕｌａｎｄ和Ｐｅｒｒｅｔ则认为碳纤维的内部存在条带乱层结构提出这种条带结构模型是基于Ｘ射线衍射数据和电子显微镜观察的结果，在学术界也产生了一定的共鸣。
虽然碳纤维的内部结构目前还没有定论，可是碳纤维与人造石墨的内部组织相似已形成共识，而且存在轴向的取向排列，这就是碳纤维宏观上表现出高强度的原因。
碳纤维的分类通常有以下３种：按原丝类型可以分为沥青基纤维、聚丙烯腈基纤维、黏胶基纤维、气相生长碳纤维和其他有机纤维基纤维等。其中聚丙烯腈基碳纤维因为优异的力学性能、低廉的制备成本和相对简单的制备工艺等优点。
和在世界碳纤维的市场中拥有８５％的份额，是碳纤维使用量最大、应用范围最广的品种。按碳纤维的力学性能可以分为普通级碳纤维（拉伸强度＜１．２ＧＰａ，拉伸模量＜１２０ＧＰａ）。
高强度级（ＨＴ）拉伸强度达３．０ＧＰａ、高模量级（ＨＭ）拉伸模量在３１０-３９５ＧＰａ之间、超高强度级（ＵＨＴ）拉伸强度在４．０ＧＰａ以上、超高模量级（ＵＨＭ）拉伸模量在３９５ＧＰａ以上。
对碳纤维的研宄开发是从１９世纪６０年代开始的，英国人约琴夫斯旺和美国人爱迪生用纤维素纤维为原料制备出碳纤维并申请专利，但是制备出的碳丝由于力学性能低、无法批量生产等原因，没有获得继续的发展。
２０世纪６０年代初，日本人近藤招男在大阪工业技术试验所成功使用聚丙烯腈原丝制备出了碳纤维，并获得了专利。２０世纪７０年代日本东丽公司率先生产出性能优异的聚丙烯腈基碳纤维，并陆续实现商品销售。
之后产品的品种、性能产量不断发展，至今仍处于世界的先进水平。从１９８３年开始，日本Ｔｏｒａｙ公司、英国考陶尔兹公司、日本东邦公司、日本碳公司、美国塞拉尼斯公司、赫拉克勒斯公司等。
陆续研发出高模量、高强度、高强中模、超高模量、超高强度等多种类型的碳纤维，而且制备技术也取得了长足的发展。我国国内的碳纤维研究是从上个世纪６０年代开始的。
１９７４年５月，中科院山西煤化工研究院自主设计我国首条碳纤维生产线，并在１９７６年建成投产。在国家政策的扶持和引导下，我国碳纤维的发展迎来了快速的进步。
目前，Ｔ３００己经产业化生产，高强度碳纤维Ｔ７００和Ｔ８００也从研制阶段逐步发展到量产阶段，超高强碳纤维Ｔ１０００的研发也取得了突破。这使得我国逐渐从碳纤维的低端产品向高端产品过渡。
从能耗高的低附加值产品向绿色环保的高附加值产品过渡。回顾五十多年来碳纤维的发展过程，我国从最开始的从零起步，逐渐发展壮大。
引进和吸收国外的先进技术，坚持自我创新，逐渐奠定了我国碳纤维工业的基础。可是，我们与世界上的先进技术还有一段距离。
