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碳纖維的強度到底取決于什么?
2017.12.20


我們通常所說的碳纖維是一個模糊的總稱,不同種類碳纖維的性能其實千差萬別。要注意,我們所說的「碳纖維」,其實是「碳纖維增強復合材料」的簡稱和俗稱,與真正的「碳纖維」是有區別的。簡單理解,真正的「碳纖維」就像是一根一根的毛線,而我們通常所說的「碳纖維」則是這些毛線織成的各種毛衣、圍巾、手套等等。

所謂的碳纖維增強復合材料,其實就是用很多碳纖維,按照一定的方向排布,然后用樹脂或者其它黏合材料緊密的連接成一體。比如下圖所示,這一根一根的圓柱體就是碳的纖維,而這些圓柱體被中間填充的樹脂填充在一起。這些纖維的分布密度直接影響最終的材料性能。正因為這樣,我們可以通過調整所謂的 fiber volume fraction,也就是纖維體積比,來控制碳纖維材料的最終性能。簡單說,纖維越密,單位體積內的纖維越多,沿纖維方向的強度就越高;反之,纖維越疏,單位體積內的纖維越少,最終碳纖維材料的強度也就越低。(PS:布的密度取決于碳布的克重)

 

對于工程中使用的碳纖維來說,纖維的排布既可以是單一方向的,也可以是多 方向交叉疊加的。其中最常用的當然是多方向交叉的,這也就是我們常見的那種碳纖維的外觀。對于工程中使用的碳纖維來說,纖維的排布既可以是單一方向的,也可以是多方向交叉疊加的。其中最常用的當然是多方向交叉的,這也就是我們常見的那種碳纖維的外觀。比如這就是單一方向的(也叫單向布)。

 

這個就是多方向交叉的,我們常見的碳纖維的外觀就是這種雙向交叉的紋理。原始的碳纖維材料就是這樣的,其實更像布料,可以彎折,可以卷成一卷。(3K斜紋碳纖維布)

 

這也就造成了很多人對碳纖維材料的一個普遍誤解,那就是混淆了「纖維」和最終的「纖維復合材料」?!趕宋溝男閱芫褪塹ゴ康牟飭康ヒ壞腦倉?,這樣測試出來的性能非常驚人,也就是很多人甚至有些科普讀物里常說的數倍甚至十倍于鋼材。但是真正工程應用中使用的并不是單一的一根一根的纖維,而是纖維和樹脂共同組成的「纖維復合材料」,其工程性能不僅僅取決于單根纖維的性能,還受樹脂性能和纖維密度的影響,更受纖維方向的影響。也就是說,最終碳纖維材料的性能,其實是纖維性能和填充樹脂性能的加權平均。對于大多數碳纖維復合材料來說,測試的結果雖然可能強于鋼材,但差別并沒有達到天差地別的程度。

 


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