碳纖維是什麼？

碳纖維是由碳原子結合起來而形成的一個長鏈。纖維非常堅硬、勞固和質量輕，被應用於各種優異的建築材料。碳纖維材料由各種原材料塊制成，包括紗線、單向編織物和其它幾種依次用於創建復合的部分。

          平紋碳纖                                  斜紋碳纖

在這些目錄中還有很多子類需要進一步細化。例如不同的碳纖維條紋會對組成部分及最終產品產生不同的性能。為瞭創造一個拉伸及壓縮都強硬的碳纖組成部分，需要一個穩定的結構構建基內部及維持其外形。環氧樹脂是一種具有良好抗壓及形變的優秀材料，通常用於組建這個結構使碳纖憑該結構實現加固。由於樹脂密度小因此可以用於創建質量輕的部件且非常堅固。當制作一個部件時許多不同的方法可以利用，包括濕法疊塗、真空袋壓成型、樹脂傳遞、匹配模具、嵌件成型、拉擠成型和許多其它的方法。此外，選擇不同的樹脂可以產生不同的性能。

樹脂增強碳纖結構

強度、硬度與其它材料的比較

碳纖非常堅固，這是典型的工程材料方麵的強度重量比和剛度重量比的衡量，特別是在增加重量會導致生命周期成本或不滿意表現的結構設計方麵。一種材料的硬度是由它的彈性系數進行測量的，碳纖的系數典型值20 msi(138 Gpa)和它的最大拉伸強度典型值是500 ksi(3.5 Gpa)。高強度和硬度的碳纖材料同樣具有更高的應用價值，可以通過專業的熱處理工藝。相比鋁2024-T3的系數典型值隻有10 msi和最大拉伸強度典型值隻有500 ksi，而4130鋼的系數典型值是30 msi和最大拉伸強度典型值是125 ksi。

      作為例子，一個平紋碳纖板具有6msi的彈性系數和83 lbs/ft3的體積密度。作為對比，鋁的密度是169 lbs/ft3，它的重量硬度是8.8 x 108 ft。因此即使一個普通的平紋碳纖板的重量硬度也比鋁高18%比鋼高14%。當考慮一個定制的強度加強的碳纖板以及同時增加強度及硬度的芯材時，很明顯先進的碳纖復合材料可以應用到廣泛。

優勢與劣勢

碳纖加強復合材料具有幾個在高級材料及系統利用的優秀特性。碳纖2個常見的應用是重量令人滿意下對強度和硬度的要求，包括太空、軍事結構、機器人、風力發電、生產設備、體育器材及其它很多方麵。當結合其它材料時可以實現高韌性，某些特定的應用也會應用到碳纖的導電性和高導熱性。最後，除瞭基本的力學特性，碳纖維具有獨特的和美麗的表麵光潔度。

      雖然碳纖具有其它材料無法比擬的特性，但同時也有些方麵需要進行權衡。首先固態碳纖不易變形，當在輕度彎曲情況下不會變形，相反一旦超過極限碳纖將完成破壞。在設計過程中工程師必須理解這種特性，特別是在安全因素的設計考慮下。同時值得註意的是碳纖復合材料比傳統的材料昂貴的多。使用碳纖生產高質量的建築材料(例如固態碳板，夾板，管)時要求比較高的水平和許多錯綜復雜的過程，建造自裝配、高度優化的部件和組件要求非常高的技術等級和特殊的工具和設備。

碳纖VS金屬

當設計組合部件時不能簡單的比較碳纖、銅鋁或塑料的屬性，因為這些材料基本是一樣的（所有點的特性相同），都具有相同的性質（各軸的特性也相同）。相比之下，碳纖的力量集中在它的軸心方向，就此碳纖的特性和方向最大程度的影響基機械性能。碳纖部件是綜合的既不是均勻的也不是各方向的。

      碳纖的性能和鋼鐵相近同時其重量和塑料相近，因此碳纖的強度重量比（和硬度重量比）遠高於鋼鐵和塑料。具體的細節取決於部件的建造和應用，例如一個泡沫芯層具有很高的彎曲力量重量比，但不一定壓縮或擠壓，它們的結構是唯一的，因此在你的應用中我們不可能使用碳纖來代替相同厚度的鋼鐵。確定特定需求的產品的安全性和舒適性是客戶的責任，這是經過工程分析和實驗驗證的。

詞匯表

聚芳基酰胺纖維：一種由應用於高熱沖擊具有高強度和韌性材料組成而成的合成纖維。

軸應力：一個部件的軸分應力。

脆性材料：一種不易屈服但當彎曲過度時容易破壞的材料。

碳纖：一種由樹脂復合而成的高強度、高硬度的復合材料。

CFRP：碳纖維增強塑料的縮寫。

懸臂：一端固定另一端可以活動的部件。

復合夾層芯：在復合結構中核心是一種低密度的材料以增加剛度重量比。

復合材料：一種由2種或以上材料結合而成從而具有其材料中某些特定特性的材料，在碳纖增加材料結構中，碳纖的高強度與硬度由低密度穩定結構組成，因此具有理想的材料性能。

密度：材料的單位重量、麵積或體積（線密度、麵積密度和體積密度）。

環氧樹脂：一種當溶合催化劑時變堅硬的聚合物樹脂。樹脂是用於穩定碳纖結構的常用物質中的一種。

玻璃纖維：類似於碳纖的玻璃纖維增強塑料，但強度和硬度低的多，不過成本也低的多。

均質：定義為整個材料由均勻物質組成。

各向同性：定義為在各個方向具有相同的特性（機械、電氣、熱等）。碳纖維板是典型的高

度定向，隻有在縱向方向的碳纖具有高的強度和硬度。

矩陣結構：在復合材料中矩陣結構包含穩定纖維增加的填料。當隻有自身材料時矩陣結構比纖維弱的多。矩陣結構的主要功能是轉遞纖維與復合物質間的負載。

彈性系數：一種材料硬度的測量，定義為軸向應力除以軸向應變。系統越高硬度越硬（即需要更大的力量令其變形），也被稱為的楊氏系數。

泊松比：由一個材料由於負載拉伸時，它會在軸向方向拉長和垂直方向或橫方向收縮。定義為軸向應力除以橫向應變力。

各向同性：在復合材料中各個層板的放置令纖維沿各方向伸展，結果是材料在各方向的性能相近。

聚丙烯腈(PAN)：一種制作碳纖的常用原材料。

擠壓成型：一種制作所有的碳纖維沿縱軸的正負極方向堅硬枚、管或其它截麵的工藝。

強化碳纖(RCC)：加強碳纖復合材料用於高溫應用中。

剪切模量：定義為剪應力除以剪切應變，也被稱為模量的剛性。

剪應力：一種材料組件橫向麵的平行應力。

剪切應變：材料的變形是由剪應力引起的。剪切應變是造成材料變形的一個因素。

最大拉伸強度：材料可以承受的最大張力，大於這個張力材料會鬼損壞。

單板：一種很江薄很柔軟的碳纖板。

抗屈強度：當撤消壓力後物質會保持原形的特性。

碳纖板應用

碳纖復合材料具有迷人的特性令它吸收瞭廣泛的客戶。

在它的應用中列舉一部分如下：

工業自動化和機器人

工業自動化和機器人是一個讓人開始意識到碳纖設計好處的領域。對於大多數應用場合減少重量增加強度直接影響瞭反應時間和降低電機和驅動器的負荷。這反過來又影響到生產力的提高和維護周期的增長。在商業自動化中，機器通常盡可能快的運行到2417，由於慣性負荷使用碳纖維結構減少更換重金屬成分又反過來降低零件加工時間顯著提高利潤率。在這些應用，由於伴隨碳纖材料成本增加投資回報率通常比較快。

      碳纖直徑管、三角片和板可以很方便的組裝到應用廣泛的機器人應用框架中。在使用中負載和定界是主要的考慮問題，我們的碳纖可以根據客戶的需求定制碳纖的層數和尺寸。

      我們碳纖最近的一個例子是來自世界的商業機器人。國際攀巖機器內置一個革命性的弧麵建造機器人，底盤幾乎完全由碳纖構造。這個機器人被用於核電工業、飛機檢查和其它如對人類而言環境惡劣或減少爬行時間的應用（如檢查飛機機身或翼）。使用碳纖代替機器人的金屬結構可以大大提高瞭機器人的性能和載荷攜帶。

UAVs

UAV無人飛機機翼是由碳纖特材料別定制的。這個項目開始由錫拉丘茲大學從NASA中取得的項目，現在發展為軍事用途和森林防火。整個結構是由現成的或定制的碳纖做成的。

例如，主要的中心艙壁是數控切割下來的蜂窩芯，側麵安裝板和結構性支撐肋由各種厚度的碳纖建成，掛架從固態碳角材料切割而來。除瞭現貨供應材料，推進翼也包括幾個定制的部件，包括泡沫芯尾部，碳纖維蒙皮的翅膀，突鼻組件和高度定制的固態碳起降架。UAV的革命性推進系統不是螺旋槳驅動的，而是橫向流動渦旋推進的。典型的用於暖氣和空調領域的橫向流動渦旋采用普通塑料制成，相對較脆弱，用於UAV推進翼的是由固態碳纖制作而成以保證質量輕和堅固。

運動器材

高性能的碳纖維沖浪板使用碳纖維板制作而成。碳纖優秀的剛度重量比創造在瞭在高負荷下不易變形的極輕的沖浪板，結合搖桿習俗的設計、反應性、和低重量創造極佳性能的沖浪板。

樂器

碳纖在制作樂器中許多應用，其低質量高硬度的特性使他成為理想的選擇。碳纖維貼片可與桁架桿使用以不同的結構，短條狀可以用來加強連接。碳纖維貼片可以用於吉他支撐，與輕木或雲杉結合可以產生很好的加強效果。一些制造商已經發現碳纖貼片的在測深板上減少壓力的創造性應用。由於其在壓縮/拉伸的高強度和低質量還有與樹脂和黏合劑的完美結合使碳纖成為新一代機器制造新寵。

      碳纖維在制作和修理弦樂器中最常見的一個用途是弦強化，右邊是一個例子展示碳纖如何使樂器更穩定和減少彎曲。橫截麵顯示瞭碳纖維的位置，碳纖貼片的位置是由你樂器的橫截麵尺寸決定的。

科學機器

當科學工作需要輕質堅固的固定裝備時碳纖是理想的選擇，工業和大學實驗室通常將碳纖的最小的撓度和熱偏差作為他們實驗設計的標準。另外碳維結構比金屬更輕使運輸、裝配、安裝更容易。

這些設計的例子包括：

•混合箱完全是由碳纖線、碳纖方塊和矩形管作為內部結構支撐的，開關和裝緊固件的孔所屬麵板則由CNC加工而成。

•中間部分包括五個獨立裝置，單氣流入口在這些管之間分流，這些2英寸直徑的管是由碳纖做成的。

      使用碳纖維材料和環氧樹脂粘結方法，推進翼項目從開始到結束隻需要8周的時間。

碳纖維傢具

碳纖是越來越多的應用到傢具建造中。傢具制造商使用碳纖是因為其輕便、堅固用外觀。碳纖在減輕重量的同時可以給傢具一種“高科技”或“高端”的外觀。

稀奇的技術，高科技材料的開發，制造技術及創新的理念旨在通過傳統設計和思想主導的成熟市場裝創新的設計引入到傢庭環境中。在這裡顯示的碳纖桌子中，采用瞭夾板和使用專用陶瓷膠沾合的碳纖皮膚。腿部使用相同的方法制作。通過使用碳纖桌子重量隻有使用木時的62%，即使使用一半的木一半的碳纖桌子的重量比仍然少於15lbs。

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