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為什么要使用碳纖維代替另一種材料？

發(fā)布時間: 2023年04月12日

緣故原由1：強度

人們會考慮使用碳纖維的重要緣故原由是其高的剛度與重量比。碳纖維特別很是結(jié)實，特別很是堅硬并且相對較輕。

材料的剛度通過其彈性模量來衡量。碳纖維的模量通常為34 MSI（234 Gpa）。碳纖維的極限抗拉強度通常為600-700 KSI（4-4.8 Gpa）。將其與模量僅為10 MSI且極限抗拉強度為65 KSI的2024-T3鋁或模量為30 MSI且極限抗拉強度為125 KSI的4130鋼進(jìn)行比較。

因為材料的精制和碳纖維的加工，也可以使用高和超高模量碳纖維或高強度碳纖維。

復(fù)合碳纖維部件是碳纖維和樹脂（通常是環(huán)氧樹脂）的組合。碳纖維復(fù)合材料部件的強度和剛度將是纖維和樹脂的強度和剛度相結(jié)合的效果。復(fù)合材料部件的局部強度和剛度的大小和方向由層壓板中的局部纖維密度和方向控制。

在工程中，典型的是根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的強度與重量之比（比強度）和剛度與重量之比（比剛度）來量化結(jié)構(gòu)材料的上風(fēng)，分外是在重量減輕與性能進(jìn)步或生命周期成本降低有關(guān)的情況下。

由標(biāo)準(zhǔn)模量平紋碳纖維以平衡且對稱的0/90疊層制成的碳纖維板的彈性彎曲模量約為10。10 MSI。它的體積密度約為.050 lb / in3。因此，這種材料的剛度重量比或比剛度為200 MSI。90 KSI，因此該材料的比強度為1800 KSI

相比之下，6061鋁的彎曲模量為10 MSI，強度為35 KSI，密度體積為0.10lb。這將產(chǎn)生100 MSI的比剛度和350 KSI的比強度。4130鋼的剛度為30 MSI，強度為125 KSI，密度為0.3 lb / in3。這將產(chǎn)生100 MSI的比剛度和417 KSI的比強度。

材料	比剛度	比強度
碳纖維	200MSI	1800 KSI
6061鋁	100MSI	350 KSI
4130鋼	100MSI微星	417 KSI

因此，即使是基本的平紋碳纖維面板，其比剛度也比鋁或鋼大2倍。它的比強度是鋁的5倍，是鋼的4倍以上。

當(dāng)考慮通過策略性纖維放置來定制碳纖維面板剛度的選項，并且包括使用輕質(zhì)芯材的夾心結(jié)構(gòu)可能明顯進(jìn)步剛度時，碳纖維復(fù)合材料可在多種應(yīng)用中發(fā)揮的上風(fēng)是顯而易見的。詳細(xì)數(shù)字取決于構(gòu)造和應(yīng)用的細(xì)節(jié)。例如，泡沫芯三明治在彎曲時具有極高的強度重量比，但不肯定具有壓縮或壓碎性。此外，任何組件的載荷和邊界條件對于特定結(jié)構(gòu)都是唯一的。因此，在不細(xì)心考慮所有設(shè)計因素的情況下，不可能提供可以在給定應(yīng)用中直接替換鋼板的碳纖維板的厚度。

碳纖維設(shè)計天真性的一個例子是梁的定制設(shè)計，其沿特定軸具有定制的剛度。以沿每個彎曲軸獲得最佳剛度。如許的管在抗彎曲性方面類似于工字梁，但仍保留了在管中發(fā)現(xiàn)的高扭轉(zhuǎn)剛度。

緣故原由2：低熱膨脹

選擇英特力碳纖維的一個緊張益處是其隨溫度轉(zhuǎn)變的尺寸穩(wěn)固性。碳纖維的熱膨脹系數(shù)每華氏度小于百萬分之一英寸，而鋼的熱膨脹系數(shù)為百萬分之七英寸/英寸，而鋁的熱膨脹系數(shù)為百萬分之一英寸/英寸。

緣故原由3：各向異性

設(shè)計復(fù)合零件時，不能簡單地將碳纖維與鋼，鋁或塑料的性能進(jìn)行比較。這些材料具有均質(zhì)（在所有點上的特征都雷同）和各向同性（在所有軸上的特征都雷同）。相比之下，碳纖維零件既不是均質(zhì)的也不是各向同性的。在碳纖維部件中，強度沿纖維的軸線存在，因此纖維密度和方向極大地影響了機械性能。

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