碳纤维特性

碳纤维作为一种材料的声誉已经达到了神秘的程度！它不仅以最好和最强而闻名，而且用碳纤维制成的东西也变得很酷！

我不声称自己是专家。本文结合了我在碳纤维研究中发现的信息，我不是主要来源。我尽量做到准确，但我犯了错误，我知道这可能会让你们中的一些人感到惊讶，但确实如此。如果您打算建造桅杆或其他船只，请进行研究。咨询专家，小心。玩得开心。

一、什么是碳纤维

毫不奇怪，碳纤维是由沿长轴排列的碳晶体制成的。这些蜂窝状晶体以长扁平带状排列。这种晶体排列使色带在长轴上很坚固。反过来，这些带在纤维内对齐。纤维形状是用于生产碳纤维的材料（其前体）的原始形状。我不知道碳化后纤维成型的任何过程。这些纤维（包含碳晶体的扁平带）依次由制造商捆绑成较粗的纤维，然后编织成碳布，制成毡，加捻或不加捻就成束。这被称为漫游。碳纤维也以短切原丝和粉末形式提供。

为了改变铺层的特性，有时会添加其他材料，例如玻璃纤维、凯夫拉尔或铝。碳纤维很少用作它。相反，它嵌入在矩阵中。在桅杆制造和造船中，我们通常会想到环氧树脂或聚酯树脂，但碳纤维也可用作热塑性塑料、混凝土或陶瓷的增强材料。

碳纤维制造

有几种制造碳纤维的方法，但基本上它们都是从用富含碳的前体材料制造纤维开始的。纤维的原始尺寸和形状将保留在成品碳纤维中，但内部化学结构将通过各种加热循环发生很大变化。第一步是 碳化和拉伸前体纤维，PAN：聚丙烯腈、沥青或人造丝。在不包括氧气的不同温度下有几个加热循环。该过程驱除原材料中的大多数其他元素（主要是氢和氮），留下碳。它还允许碳以其特有的蜂窝状方式逐渐结晶。

决定碳纤维物理性能的最重要因素是碳化程度（碳含量，通常超过 92% 重量）和层状碳平面（带）的取向。商业生产的纤维具有广泛的结晶和无定形含量变化，以改变或有利于各种特性。

根据碳化的起始材料和工艺，对碳纤维进行修改以适应最终目的。PAN 或聚丙烯腈是塑料复合材料最常见的前体。

特性的主要变化是强度与刚度。通过使用不同的加热循环，可以强调任何一个。正在进行研究以修改其他特性，例如热和电导率。

不仅纤维的内部结构很重要，而且它们在成品中的排列方式对所制造物品的性能也有巨大的影响。碳纤维的正确排列对于最大限度地发挥其优势至关重要。

碳纤维特性，什么不爱！！

1. 高强度重量比
2. 刚性
3. 耐腐蚀性能
4. 电导率
5. 抗疲劳
6. 抗拉强度好但脆
7. 耐火性/不易燃
8. 某些形式的高导热性
9. 低热膨胀系数
10. 无毒
11. 生物惰性
12. X 射线可透过
13. 相对昂贵
14. 需要专业的经验和设备才能使用。

我没有详细写过，但是碳纤维是自润滑的，它还具有出色的 EMI（电磁干扰）屏蔽性能

1-碳纤维具有高强度重量比（也称为比强度）

材料的强度是失效时每单位面积的力除以其密度。任何强而轻的材料都具有良好的强度/重量比。铝、钛、镁、碳和玻璃纤维、高强度钢合金等材料都具有良好的强度重量比。轻木的强度重量比高也就不足为奇了。

以下数据仅供比较，会因成分、合金、蜘蛛类型、木材密度等而异。单位为 kN.m/kg。

请注意，强度和刚性是不同的属性，强度是抗断裂性，刚性是抗弯曲或拉伸性。

由于碳纤维晶体在长扁平带或蜂窝晶体窄片中的取向方式，纵向运行的强度高于穿过纤维的强度。这就是为什么碳纤维物体的设计者会指定纤维的铺设方向，以最大限度地提高特定方向的强度和刚度。纤维与最大应力方向对齐。

泛基前体碳纤维比沥青基碳纤维具有更高的强度，沥青基碳纤维具有更高的刚度。

2-碳纤维非常坚硬

材料的刚性或刚度由其杨氏模量测量，并测量材料在应力下的偏转程度。碳纤维增强塑料的硬度是玻璃增强塑料的 4 倍以上，几乎是松木的 20 倍，是铝的 2.5 倍。有关刚度及其测量方式的更多信息，以及不同材料的比较表，请参阅我的杨氏模量页面。

记住应力是力，应变是变形，例如弯曲或拉伸

3- 碳纤维耐腐蚀且化学稳定。

尽管碳纤维本身不会明显变质，但环氧树脂对阳光很敏感，需要加以保护。其他基质（无论嵌入什么碳纤维）也可能具有反应性。

碳纤维会受到强氧化剂的影响

由碳纤维制成的复合材料必须用抗紫外线环氧树脂（不常见）制成，或者用抗紫外线饰面（如清漆）覆盖。

4-碳纤维是导电的

此功能可能有用，也可能令人讨厌。在造船中，必须考虑导电性，就像铝导电性一样。碳纤维导电性可以促进配件中的电偶腐蚀。仔细安装可以减少这个问题。

碳纤维粉尘会积聚在商店中，并导致电器和设备产生火花或短路。

目前有相当多的研发工作是利用碳纤维的导电性来产生热量，以加快复合材料的固化速度，或者提高自身的加热能力。这可能适用于冬季服装或用于恶劣环境的服装。

5- 抗疲劳性好

碳纤维复合材料的抗疲劳性很好。然而，当碳纤维失效时，它通常会发生灾难性的失效，而没有明显的外部迹象表明它即将失效。

拉伸疲劳中的损伤被视为随着更多的应力循环而降低刚度（除非温度很高）

测试表明，当循环应力与纤维取向一致时，故障不太可能成为问题。碳纤维在疲劳和静态强度以及刚度方面优于 E 玻璃。

纤维的方向和不同的纤维层方向，对复合材料如何抵抗疲劳有很大的影响（就像它对刚度一样）。施加的力类型也会导致不同类型的故障。张力、压力或剪切力都会导致明显不同的失效结果。

6-碳纤维具有良好的抗拉强度

拉伸强度或极限强度，是材料在颈缩或失效前被拉伸或拉动时所能承受的最大应力。缩颈是指样品横截面开始显着收缩的时候。如果你拿一条塑料袋，它会拉伸并且在某一时刻会开始变窄。这是缩颈。抗拉强度以每单位面积的力来衡量。由于内部缺陷，碳纤维等脆性材料并不总是在相同的应力水平下失效。他们在小应变下失败。（换句话说，在灾难性失效之前没有大量的弯曲或拉伸）脆性材料的威布尔模量

测试包括取一个具有固定横截面积的样品，然后逐渐增加拉力，直到样品改变形状或破裂。将直径仅为 2/10,000 英寸的纤维（例如碳纤维）制成适当形状的复合材料以进行测试。

单位为 MPa 此表仅作为比较提供，因为存在大量变量。

注意：在测试碳纤维、其他纤维和非均质材料时，应制作一致且可比较的样品。这不是一个简单的程序。如果您阅读比较强度/刚度的研究，研究人员将始终解释他们的样品是如何制造的，包括基质的类型、纤维的排列、纤维与基质的比例以及其他因素。这种困难解释了为什么研究结果之间的测量结果会有很大差异。

7- 耐火性/不易燃

这是一篇关于通过烧掉基质来回收碳纤维的文章。

碳纤维被归类为不可燃，没有列出的闪点。如果它在燃料燃烧的情况下暴露在高温下，它最终会氧化，但一旦火焰和燃料被移除，火焰就不会继续下去。

由于碳纤维几乎总是用于环氧树脂、塑料或混凝土等基体中，因此基体对高温的耐受性是更重要的因素。

取决于制造工艺和前体材料，碳纤维可以制成手感非常柔软，并且可以制成或更经常集成到消防防护服中。镀镍光纤就是一个例子。因为碳纤维在化学上也是非常惰性的，所以它可以在有火和腐蚀剂的地方使用。高温毛毡焊接毯 – 黑色，18″ X 24″这些毛毡碳纤维毯还用于在进行管道焊接时保护基材。

8-碳纤维的导热系数

请参阅我关于碳基材料（包括碳纤维、纳米管和石墨烯）的导热性的文章。

热导率是在稳定条件下，由于单位温度梯度，沿垂直于单位面积表面的方向通过单位厚度传递的热量。换句话说，它是衡量热量流过材料的难易程度。

有许多度量系统取决于公制或英制单位。

1 W/(mK) = 1 W/( ^m.o C) = 0.85984 kcal/(hr.m.o ^{C ) = 0.5779} Btu/(ft.hr.o F)

此表仅供比较。单位是 W/(mK)

由于碳纤维的主题有很多变化，因此无法准确确定导热性。特殊类型的碳纤维专为高或低导热率而设计。也有努力增强此功能。

9- 低热膨胀系数

这是当温度上升或下降时材料膨胀和收缩的量度。

单位为英寸/英寸华氏度，与其他表格一样，单位并不像比较那么重要。

碳纤维的 CTE 范围很广，从 -1 到 8+，具体取决于测量的方向、织物组织、前体材料、Pan 基（高强度、更高 CTE）或 Pitch 基（高模量/刚度、更低 CTE ）。

在足够高的桅杆中，各种材料的热膨胀系数差异会略微改变钻机张力。

低热膨胀系数使碳纤维适用于小运动可能至关重要的应用。望远镜和其他光学机械就是这样一种应用。

10-11-12 无毒、生物惰性、可透过 X 射线

这些品质使碳纤维在医疗应用中非常有用。假体使用、植入物和肌腱修复、X 射线配件手术器械，都在开发中。

虽然无毒，但碳纤维可能会产生很大的刺激性，因此需要限制长期无保护的接触。然而，环氧树脂或聚酯基体可能是有毒的，因此需要采取适当的措施。

13-碳纤维比较贵

虽然它提供了强度、刚性和减轻重量的特殊优势，但成本是一种威慑。除非重量优势特别重要，例如在航空应用或赛车中，否则通常不值得额外花费。碳纤维的低维护要求是另一个优势。

酷炫时尚很难量化。碳纤维具有光环和声誉，使消费者愿意为拥有它的声望付出更多。

与玻璃纤维相比，您可能需要的更少，这可能是一种节省。

14- 碳纤维易碎

纤维中的层由强共价键形成。片状聚集体很容易使裂纹扩展。当纤维弯曲时，它们会在非常低的应变下失效。换句话说，碳纤维在失效之前不会弯曲太多。

不同碳纤维和基体比例的影响

15- 碳纤维尚未适合业余技术。

为了最大限度地发挥碳纤维的特性，必须达到相对较高的技术卓越水平。缺陷和气泡会显着影响性能。通常，需要高压釜或真空设备。模具和心轴也是主要费用。

任何业余碳纤维建筑的成功都与技术和谨慎密切相关。