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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(qiáng)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(shí)，特別很是堅(jiān)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(qiáng)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(qiáng)度為65 KSI的2024-T3鋁或模量為30 MSI且極限抗拉強(qiáng)度為125 KSI的4130鋼進(jìn)行比較。

因?yàn)椴牧系木坪吞祭w維的加工，也可以使用高和超高模量碳纖維或高強(qiáng)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(qiáng)度和剛度將是纖維和樹脂的強(qiáng)度和剛度相結(jié)合的效果。復(fù)合材料部件的局部強(qiáng)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(qiáng)度與重量之比（比強(qiáng)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(qiáng)度為1800 KSI

相比之下，6061鋁的彎曲模量為10 MSI，強(qiáng)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(qiáng)度。4130鋼的剛度為30 MSI，強(qiáng)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(qiáng)度。

材料	比剛度	比強(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)，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(qiáng)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(jì)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(jì)天真性的一個例子是梁的定制設(shè)計(jì)，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(jì)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(diǎn)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(qiáng)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(jī)械性能。

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