碳纤维的特性（常见碳纤维层压板设计与金属的特性表）

材料号 • 2022-11-03 08:00 • 投稿专栏 • 阅读 5856

对于碳纤维的新用户来说，了解碳纤维的特性往往具有挑战性。对某些人来说，它是一种神秘的材料。

碳纤维是方向相关的——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的特性的方向。与金属不同，碳纤维和一般的复合材料被称为各向异性材料。这意味着材料的属性是方向相关的。为了一个简单的类比，想想一块木头。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（晶粒）的方向。另一方面，金属、塑料和最常见的材料在各个方向都具有相同的特性。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

除了方向相关（各向异性）之外，还有许多其他因素决定了碳纤维的性能。一些关键因素是：

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、短切
纤维取向——纤维叠层设计
质量——纤维分布的均匀性、空隙等

设计选项 – 定制属性

上述所有因素或设计选择，都是碳纤维和先进复合材料的独特优势。使用碳纤维的零件可以针对特定应用进行定制和设计。无论是出于机械原因（强度、刚度）还是其他原因，例如低 CTE（热膨胀系数），都可以改变纤维类型、纤维数量、纤维取向等以实现某些特性。金属和其他材料不具备这种剪裁能力。例如，在金属零件上，唯一可以改变的是金属的等级或合金以及它的厚度或形状。而已。因为碳纤维有成千上万种选择，所以不可能列出和解释碳纤维的所有潜在特性。尽管如此，下表显示用于比较目的，以帮助最终用户更好地了解常见的碳纤维产品层压板设计的特性。其他常见材料（如钢和铝）的特性也出于比较目的而显示。

常见碳纤维层压板设计与金属的特性表

材料	等级/类型	设计/应用	纵向抗拉强度 (ksi)	纵向拉伸模量 (Msi)	剪切模量 (Msi)	密度 (g/cm^3)
碳纤维/环氧树脂（单向）	标准模数	弯曲	300	15	0.6	1.55
碳纤维/环氧树脂（单向）	标准模数	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

注意：碳纤维复合材料的性能取决于方向，上面显示的性能仅对一个方向有效，通常称为纵向。