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如今碳纖維已經(jīng)廣泛應(yīng)用于要求相對于重量具有高強度和高剛度的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域主要包括航空航天、自動化機器、賽車、專業(yè)自行車、康復(fù)設(shè)備等。由于其獨特的設(shè)計，碳纖維還被用于制造包括手表、錢包等在內(nèi)的奢侈品。

對比碳纖維與鋼或鋁等金屬材料的性能并不容易。與碳纖維不同，金屬通常是均勻的（各向同性），這確保了在各個方向上的相同特性。碳纖維部件的強度和剛度是通過以特定方式定位纖維或織物來產(chǎn)生的。

在本系列文章中將會針對碳纖維與鋁等金屬一系列重要屬性如比強度、比剛度、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、長期使用等進行了對比。本文中將首先介紹與材料重量相關(guān)的強度和剛度。

與重量相關(guān)的材料強度和剛度

為了解釋與重量相關(guān)的剛度，我們以一張 5 厘米寬、50 厘米長和 2 毫米厚的薄板為例，將 5kg 的重物懸掛在板材的末端時，載荷會導(dǎo)致薄板彎曲，彎曲的程度則與剛度相對應(yīng)。

對于不同的材料，相同厚度的板材會表現(xiàn)出不同的彎曲性能。材料越硬，彎曲就越少。去除負(fù)載后，板材將恢復(fù)其原始形狀。

現(xiàn)在想象一下，如果將條狀材料暴露在很高的載荷下，這會導(dǎo)致材料發(fā)生屈服，在釋放負(fù)載后，材料會恢復(fù)其原始形狀。材料的強度越高，在永久屈服之前承受的載荷就越大。

除了上述強度和剛度，設(shè)計工程師關(guān)注的另一個關(guān)鍵屬性是材料的重量，它由密度決定。

材料剛度用楊氏模量表示。但是，在不考慮給定材料的重量的情況下，僅此參數(shù)不足以說明材料剛度。例如，在自行車車架（尺寸、幾何形狀、壁厚）由兩種不同的金屬（鋼和鋁）制成的情況下，鋼架的剛度將是鋁架的 3 倍。但是，如果考慮到材料的重量，那么鋼架雖然比鋁架的剛度高 3 倍，但也會重 3 倍。

當(dāng)然，上述這些數(shù)字只是近似值，因為在實踐中，工程師會設(shè)計所選材料的幾何形狀，例如在鋁制自行車車架的情況下，通常會增加車架直徑以及壁厚。對于自行車車架，剛度和強度與幾何形狀和壁厚直接相關(guān)（壁厚增加 2倍可使剛度提高約 8 倍）。因此，剛度與重量的關(guān)系（即比模量）實際上是確定材料剛度的最有效方法，對于大多數(shù)工程師來說，剛度和重量都是最關(guān)鍵的參數(shù)。

碳纖維是一種在低密度下提供高剛度和高強度的材料，因為它比鋁和鋼輕很多。按重量計算，碳纖維的剛性（取決于所使用的纖維）比鋁和鋼高2 到 5 倍。對于僅沿一個平面受壓的特定部件，由單向碳纖維制成，其剛度將是鋼或鋁（相同重量）的5-10 倍。

下表比較了相同重量的不同材料的剛度和抗損壞性。出于分析的目的，使用了雙向碳纖維，這是一種最常用的復(fù)合材料，另一種是偶爾單向碳纖維，主要用于僅沿一個平面產(chǎn)生應(yīng)力的產(chǎn)品。

金屬與雙向碳纖維比模量、比強度對比

金屬與雙向碳纖維比模量、比強度對比

上述碳纖維板材數(shù)據(jù)涉及使用環(huán)氧樹脂灌注技術(shù)（碳纖維與樹脂的比例為 70/30%）制成的樣品。其數(shù)據(jù)顯示了碳纖維的優(yōu)勢，改進和最高模量的特殊材料（非常昂貴）其剛度特性是標(biāo)準(zhǔn)碳纖維的 2 倍或 3 倍，它們主要用于軍事應(yīng)用和航空航天工業(yè)。

為了解釋表中顯示的結(jié)果，假設(shè)工程師要制造一塊最大重量為10公斤、面積為1平方米、高強度、重量輕的碳纖維板，并且考慮鋁、鋼和碳纖維。

在10 公斤的重量限制下，工程師可以選擇：

鋼板厚約1.5毫米

鋁板約4 毫米厚

碳纖維板約7 毫米厚

碳纖維在較低密度下可提供更大的剛度，因此相同重量的產(chǎn)品可能更厚，簡而言之，材料厚度增加 2倍可提供 23 倍的剛度。由于使用碳纖維，為減輕重量提供了許多機會。