了解碳纤维的特性通常是一项挑战

基础知识 • 2024-11-27 22:35 • 阅读 990

了解碳纤维的特性通常是一项挑战

对于碳纤维的新用户来说，了解碳纤维的特性通常是一项挑战。对一些人来说，它是一种神秘的材料。这就是我们来这里的原因。

碳纤维具有方向性——各向异性

在选择碳纤维产品或使用碳纤维进行设计时，最重要的考虑因素之一是了解感兴趣属性的方向。与金属不同，碳纤维和复合材料通常被称为 各向异性 材料。这意味着材料的属性与 方向有关。打个简单的比方，想象一下一块木头。木材的强度取决于纹理的方向。碳纤维也是如此——碳纤维的强度取决于纤维（纹理）的方向。另一方面，金属、塑料和最常见的材料在每个方向上都具有相同的属性。它们被称为各向同性材料。

决定碳纤维复合材料性能的关键因素

除了方向性（各向异性）外，还有许多其他因素决定碳纤维的性能。一些关键因素包括：

碳纤维和树脂的类型
纤维与树脂的比例（纤维量、纤维体积）
纤维形式——单向、织物、编织物、短切
纤维取向 – 纤维铺层设计
质量——纤维分布的均匀性、空隙率等。

设计选项

上述所有因素或设计选项都是碳纤维和先进复合材料的独特优势。使用碳纤维的部件 可以根据特定应用进行定制和设计。纤维类型、纤维量、纤维方向等都可以改变以实现某些特性，无论是出于机械原因（强度、刚度）还是出于其他原因，例如低 CTE（热膨胀系数）。金属和其他材料不具备这种定制能力。例如，在金属部件上，唯一可以改变的是金属的等级或合金及其厚度或形状。

碳纤维管

由于碳纤维的选择种类繁多，因此不可能列出并解释碳纤维的所有潜在特性。

尽管如此，下表仍用于比较，以帮助最终用户更好地了解碳纤维产品中更常见的层压板设计的特性。为了进行比较，还显示了其他常见材料（如钢和铝）的特性。

表格 – 常见碳纤维层压板设计与金属的性能对比

材料	等级 / 类型	设计 / 应用	纵向拉伸强度 (ksi)	纵向拉伸模量 (Msi)	剪切模量 (Msi)	密度（克/立方厘米）
碳纤维/环氧树脂（单向）	标准模量	弯曲	300	15	0.6	1.55
碳纤维/环氧树脂（单向）	标准模量	扭转	20	2.2	4.5	1.55
碳纤维/环氧树脂（单向）	中间模量	弯曲	325	20	0.6	1.57
碳纤维/环氧树脂（单向）	高模量	弯曲	250	30	0.6	1.59
碳纤维/环氧树脂（单向）	超高模量	弯曲	200	45	0.6	1.70
钢	4130		100	30	12	7.7
钛	6M-4V		120	16	6.2	4.34
铝	6061-T6		35	10	3.8	2.7