碳纤维的强度到底取决于什么?

摘要: 都说碳纤维的强度高,比铁钢强上一百倍......但是为什么有些碳纤维制品受不了强压测试,说好的坚不可摧呢?难道这是唬人的?

10-01 21:16 首页 碳纤维平台

  我们通常所说的碳纤维是一个模糊的总称,不同种类碳纤维的性能其实千差万别。要注意,我们所说的「碳纤维」,其实是「碳纤维增强复合材料」的简称和俗称,与真正的「碳纤维」是有区别的。简单理解,真正的「碳纤维」就像是一根一根的毛线,而我们通常所说的「碳纤维」则是这些毛线织成的各种毛衣、围巾、手套等等。

  所谓的碳纤维增强复合材料,其实就是用很多碳纤维,按照一定的方向排布,然后用树脂或者其它黏合材料紧密的连接成一体。比如下图所示,这一根一根的圆柱体就是碳的纤维,而这些圆柱体被中间填充的树脂填充在一起。这些纤维的分布密度直接影响最终的材料性能。正因为这样,我们可以通过调整所谓的 fiber volume fraction,也就是纤维体积比,来控制碳纤维材料的最终性能。简单说,纤维越密,单位体积内的纤维越多,沿纤维方向的强度就越高;反之,纤维越疏,单位体积内的纤维越少,最终碳纤维材料的强度也就越低。(PS:布的密度取决于碳布的克重)

  对于工程中使用的碳纤维来说,纤维的排布既可以是单一方向的,也可以是多 方向交叉叠加的。其中最常用的当然是多方向交叉的,这也就是我们常见的那种碳纤维的外观。对于工程中使用的碳纤维来说,纤维的排布既可以是单一方向的,也可以是多方向交叉叠加的。其中最常用的当然是多方向交叉的,这也就是我们常见的那种碳纤维的外观。比如这就是单一方向的(也叫单向布)。

  这个就是多方向交叉的,我们常见的碳纤维的外观就是这种双向交叉的纹理。原始的碳纤维材料就是这样的,其实更像布料,可以弯折,可以卷成一卷。(3K斜纹碳纤维布)

  这也就造成了很多人对碳纤维材料的一个普遍误解,那就是混淆了「纤维」和最终的「纤维复合材料」。「纤维」的性能就是单纯的测量单一的圆柱体,这样测试出来的性能非常惊人,也就是很多人甚至有些科普读物里常说的数倍甚至十倍于钢材。但是真正工程应用中使用的并不是单一的一根一根的纤维,而是纤维和树脂共同组成的「纤维复合材料」,其工程性能不仅仅取决于单根纤维的性能,还受树脂性能和纤维密度的影响,更受纤维方向的影响。也就是说,最终碳纤维材料的性能,其实是纤维性能和填充树脂性能的加权平均。对于大多数碳纤维复合材料来说,测试的结果虽然可能强于钢材,但差别并没有达到天差地别的程度。

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