碳纖維VS鋼：哪個更強？

2020-09-09 雲墨智品

長期以來，金屬鋼材料廣泛用來製造堅固、持久的結構。與之相比，碳纖維則是一種相對較新的結構材料，但其性能優異且令人印象深刻，因此對鋼材料構成了極大的威脅。本文針對這兩種材料的特性進行了簡單對比，並舉例展示了正在向碳纖維轉移的一些行業。



什麼是碳纖維？

碳纖維是由92%甚至更高的碳元素構成，由於其獨特的晶體結構而具有高拉伸強度。它通過與聚合物基體複合，而被廣泛用於製造輕質高強的複合材料零件。碳的物理性質使碳纖維非常堅固且堅硬，通常而言PAN基碳纖維的彈性模量（材料抗變形的度量）在150-700GPa之間。



碳纖維力學性能範圍之所以廣泛，是因為可以通過其製造過程工藝調控來調整剛度和強度。碳纖維的拉伸強度是所有已知可用材料中最高的。雖然包括鋼在內的許多材料可以具有高的剛度和拉伸強度，但是碳纖維的真正好處是強度高但密度低（約1.6-2.0g/cm³），因此具有比強度高的優點。這使得碳纖維材料具有高的抗張強度，同時又輕巧。


在一些典型應用如航空航天、地面車輛、風力發電機中，較重的材料會消耗更多的能量，隨著時間的流逝會造成更大的磨損，因此上述領域中碳纖維優勢明顯，並獲得了廣泛應用。


鋼鐵有何特性？


因為鋼的高彈性模量約為200GPa，長期以來，鋼一直是各類結構用首選材料。這種高剛性及其相對豐富的特性使其成為一種無處不在的製造材料。


但鋼的密度約為8g/cm³，其重量可能會帶來很大負擔，尤其是與碳纖維相比，在提供相同的高剛度同時，鋼的重量大約是碳纖維材料重量的4-5倍。而從材料拉伸強度而言，鋼的拉伸強度300-600MPa也明顯低於PAN基碳纖維的3000-7000MPa。


碳纖維有哪些常見應用？


碳纖維可用於生產各種各樣的產品。任何需要堅固、輕巧的部件都是碳纖維複合材料的理想選擇。它們是手機殼的熱門選擇，因為它們提供了很高的保護等級，可防止損壞。


它們越來越多地用於無人機和無人駕駛飛機（UAV），這些飛機的重量輕、結構輕、載荷大。在汽車工業中，碳纖維技術進步有潛力將汽車的重量減少近一半，而且，碳纖維不會受到鋼或鋁的熱膨脹的影響。



醫學成像臺受益於碳纖維的強度和剛度，即使在高劑量的X射線和伽瑪射線照射後，也能在負載下保持臨界尺寸而不會隨時間推移而破裂，因此也成為碳纖維近年來應用的熱點。


與鋼相比，碳纖維切割有多容易？


碳纖維比鋼更容易切割。它的重量輕、便於搬運，帶有金剛石或碳化鎢刀片的旋轉輪或鋸容易切割碳纖維複合材料，並使原型製作容易。


儘管鋼是可靠的材料，但碳纖維製造技術的不斷進步和應用範圍愈來愈廣泛，使其成為鋼材料的有力替代品。

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