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碳纤维复合材料比刚度比金属对比

  众所周知,碳纤维材料非常坚固。在工程应用中,通常会使用强度重量比(比强度)和刚度重量比(比刚度)来衡量一种材料性能的优劣,特别是在结构设计中,重量的增加可能会导致生命周期的成本增加或性能的下降。

碳纤维复合材料比刚度比金属对比

  材料的刚度通常是用其弹性模量(又称杨氏模量)来衡量的,对于碳纤维材料以0°方向的拉伸模量评价居多。标准模量级碳纤维的拉伸模量通常为228GPa,其极限抗拉强度为3.5GPa。当然,通过采用特殊的热处理工艺可以获得更高刚度和更高强度的碳纤维,这些高刚度、高强度的碳纤维价值自然也会更高。与标准模量碳纤维相比,2024-T3铝材的拉伸模量仅为71GPa,极限抗拉强度为448MPa;45#钢的拉伸模量为210GPa,极限抗拉强度为862MPa。钢在低于极限抗拉强度的应力水平下会发生永久变形,而造成这种情况的应力水平称为屈服强度。与之相比,碳纤维在极限抗拉强度时不会永久变形,因此它实际上没有屈服强度。

  通过碳纤维与金属材料的对比发现,碳纤维刚度重量比优势明显,例如,平纹碳纤维增强层压板具有大约45.7GPa 的弹性模量和大约1.5g/cm3的体积密度,因此,这种材料的刚度重量比值为30.5。相比之下,铝的密度为2.75g/cm3,产生的刚度重量比值为25.8,而45#钢的密度为7.85g/cm3,其刚度重量比为26.9。因此,即使是最基本的平纹碳纤维板,其刚度与重量之比也比铝高18%,比钢高14%。

碳纤维复合材料比刚度比金属对比

  在碳纤维材料产品类型中,通过使用预浸料可产生更高的刚度重量比。比如采用标准模量碳纤维预浸料的 0°/90°叠层组成的面板具有约95GPa的弯曲模量,比非预浸料选项的碳纤维材料刚性高约30%。而对于一些需要最大刚度的非常苛刻的应用,可以选择使用350GPa超高模量碳纤维,这种特殊的超高模量碳纤维的抗弯刚度是标准模量碳纤维预浸料板的3倍以上。

  通过碳纤维与金属材料对比分析表明,高性能碳纤维材料的刚度重量比是钢或铝的10倍以上。如果将这些材料与轻质蜂窝状和泡沫芯结构相结合时,强度重量比和刚度重量比都可能大幅增加,那么先进的碳纤维复合材料在各种各样应用中所能产生的影响自然是显而易见的。

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