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为什么要使用碳纤维代替另一种材料?
发布时间:2021-04-06 14:03 | 浏览次数:


原因1:强度
     人们会考虑使用碳纤维的主要原因是其高的刚度与重量比。碳纤维非常坚固,非常坚硬并且相对较轻。
     材料的刚度通过其弹性模量来衡量。碳纤维的模量通常为34 MSI(234 Gpa)。碳纤维的极限抗拉强度通常为600-700 KSI(4-4.8 Gpa)。将其与模量仅为10 MSI且极限抗拉强度为65 KSI的2024-T3铝或模量为30 MSI且极限抗拉强度为125 KSI的4130钢进行比较。
     由于材料的精制和碳纤维的加工,也可以使用高和超高模量碳纤维或高强度碳纤维。
     复合碳纤维部件是碳纤维和树脂(通常是环氧树脂)的组合。碳纤维复合材料部件的强度和刚度将是纤维和树脂的强度和刚度相结合的结果。复合材料部件的局部强度和刚度的大小和方向由层压板中的局部纤维密度和方向控制。
     在工程中,典型的是根据结构材料的强度与重量之比(比强度)和刚度与重量之比(比刚度)来量化结构材料的优势,特别是在重量减轻与性能提高或生命周期成本降低有关的情况下。
     由标准模量平纹碳纤维以平衡且对称的0/90叠层制成的碳纤维板的弹性弯曲模量约为10。10 MSI。它的体积密度约为.050 lb / in3。因此,这种材料的刚度重量比或比刚度为200 MSI。90 KSI,因此该材料的比强度为1800 KSI
     相比之下,6061铝的弯曲模量为10 MSI,强度为35 KSI,密度体积为0.10lb。这将产生100 MSI的比刚度350 KSI的比强度。4130钢的刚度为30 MSI,强度为125 KSI,密度为0.3 lb / in3。这将产生100 MSI的比刚度417 KSI的比强度
 
材料 比刚度 比强度
碳纤维 200MSI 1800 KSI
6061铝 100MSI 350 KSI
4130钢 100MSI微星 417 KSI
     因此,即使是基本的平纹碳纤维面板,其比刚度也比铝或钢大2倍。它的比强度是铝的5倍,是钢的4倍以上。
     当考虑通过策略性纤维放置来定制碳纤维面板刚度的选项,并且包括使用轻质芯材的夹心结构可能显着提高刚度时,碳纤维复合材料可在多种应用中发挥的优势是显而易见的。具体数字取决于构造和应用的细节。例如,泡沫芯三明治在弯曲时具有极高的强度重量比,但不一定具有压缩或压碎性。此外,任何组件的载荷和边界条件对于特定结构都是唯一的。因此,在不仔细考虑所有设计因素的情况下,不可能提供可以在给定应用中直接替代钢板的碳纤维板的厚度。
     碳纤维设计灵活性的一个例子是梁的定制设计,其沿特定轴具有定制的刚度。以沿每个弯曲轴获得最佳刚度。这样的管在抗弯曲性方面类似于工字梁,但仍保留了在管中发现的高扭转刚度。

原因2:低热膨胀

     选择英特力碳纤维的一个重要好处是其随温度变化的尺寸稳定性。碳纤维的热膨胀系数每华氏度小于百万分之一英寸,而钢的热膨胀系数为百万分之七英寸/英寸,而铝的热膨胀系数为百万分之一英寸/英寸。

原因3:各向异性

     设计复合零件时,不能简单地将碳纤维与钢,铝或塑料的性能进行比较。这些材料具有均质(在所有点上的特性都相同)和各向同性(在所有轴上的特性都相同)。相比之下,碳纤维零件既不是均质的也不是各向同性的。在碳纤维部件中,强度沿纤维的轴线存在,因此纤维密度和方向极大地影响了机械性能。
 
 
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