碳纖維是一種非常堅(jiān)固的聚合物材料，它具有高剛度、高拉伸強(qiáng)度、重量輕、高耐化學(xué)性、耐高溫性和低熱膨脹性等優(yōu)點(diǎn)。
碳纖維的強(qiáng)度是鋼的五倍，硬度則是鋼的兩倍。盡管碳纖維比鋼更堅(jiān)固堅(jiān)硬，但它比鋼更輕，使其成為許多零件的理想制造材料。碳纖維通常與其他材料結(jié)合形成復(fù)合材料。
在本系列文章中將會(huì)簡(jiǎn)要介紹碳纖維的幾種常見的屬性（如密度、拉伸性能、硬度、熔融溫度等）及其計(jì)算方法，本文首先介紹了纖維密度和拉伸性能。
碳纖維密度
密度定義為每單位體積的質(zhì)量，在數(shù)學(xué)上定義為質(zhì)量除以體積。換句話說，一種物質(zhì)的密度（ρ）是該物質(zhì)的總質(zhì)量（m）除以該物質(zhì)所占的總體積（V）。國(guó)際單位制的標(biāo)準(zhǔn)單位為千克/立方米（kg/m3），而標(biāo)準(zhǔn)英制單位為磅質(zhì)量/立方英尺（lbm/ft3），碳纖維的密度約為2000 kg/m3。
相關(guān)計(jì)算示例：根據(jù)上述密度公式，來計(jì)算一個(gè)重量為1噸的碳纖維立方體的高度。由于密度為每單位體積的質(zhì)量，計(jì)算時(shí)質(zhì)量除以體積：ρ=m/V。
在計(jì)算立方體高度時(shí)，由于立方體的體積是其邊長(zhǎng)的三次方（V=a3），因此按照如下公式可以計(jì)算出該立方體的高度a為0.793 m。
碳纖維強(qiáng)度
在材料力學(xué)中，材料的強(qiáng)度是指其在承受施加載荷而不發(fā)生破壞或塑性變形的能力。材料的強(qiáng)度基本上考慮了施加在材料上的外部載荷與由此產(chǎn)生的材料尺寸變形或變化之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮這些因素是很重要的，以便所選材料具有足夠的強(qiáng)度來抵抗施加的載荷或力，并保持其原始形狀。
對(duì)于拉伸應(yīng)力，材料或結(jié)構(gòu)承受傾向于伸長(zhǎng)的載荷的能力被稱為極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。屈服強(qiáng)度或屈服應(yīng)力是材料特性，定義為材料開始塑性變形的應(yīng)力，而屈服點(diǎn)是非線性（彈性+塑性）變形開始的點(diǎn)。
在均勻桿的拉伸應(yīng)力（應(yīng)力-應(yīng)變曲線）的情況下，胡克定律描述了桿在彈性區(qū)域的行為。楊氏彈性模量是在單軸變形的線彈性狀態(tài)下拉伸和壓縮應(yīng)力的彈性模量，通常通過拉伸試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。
碳纖維(4000MPa)與其他元素組成材料拉伸強(qiáng)度對(duì)比
碳纖維(500GPa)與其他元素組成材料的拉伸模量對(duì)比
典型的強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例：應(yīng)力（σ）可以等于每單位面積的載荷或垂直于力的每橫截面積（A）施加的力（F），如下所示：
假設(shè)一根棒是由碳纖維制成的，該棒的橫截面積為1cm2，計(jì)算該材料達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度（UTS=4000 MPa）所需的拉力，因此，達(dá)到極限拉伸強(qiáng)度所需的拉力為F=UTS x A=4000 x 106 x 0.0001=400 000 N。
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