【专业讲堂】碳纤维复合材料与传统金属材料的关键性能指标对比
碳纤维复合材料与金属材料相比有着系列优异的性能,从而使该材料在其他结构材料中脱颖而出。主要性能与金属对比如下:
碳纤维复合材料具有低密度、低质量的特点。碳纤维复合材料的密度为1.55g/cm³(按环氧树脂30%,碳纤维70%计算),相比之下铝的密度为2.7g/cm³,钛为4.5g/cm³,钢为7.9g/cm³。
关于材料的重量,它在实际中是什么意思?例如,按照同样尺寸结构材料考虑一个1×1米厚、1厘米(10毫米)厚的薄板,根据材料的不同,该板材的质量如下:
碳纤维复合材料构件重量15.5kg;
铝构件重量27kg;
钛构件重量45kg;
钢构件重量79kg。
换言之,碳纤维复合材料的重量将比铝的重量轻42%,比钛的轻3倍,比钢的轻5倍。
高刚度
碳纤维复合材料具有高刚性。采用标准织物和0/90编织工艺,并通过预浸料技术制备的碳纤维复合材料刚度为90.5GPa(杨氏模量),而铝则为69 GPa。此外,碳纤维复合材料比相同厚度的铝材料轻42%,以上计算是指相同厚度的组件。
如果将重量放在首位,并且设计工程师不得超过1kg的重量限制,则由标准织物(斜纹布)制成的碳纤维复合材料将提供比铝和钢高2倍的刚度,并且在使用时,如果是单向织物,则几乎高4-5倍。
碳纤维复合材料的高刚度和低密度的特定,加工相同重量的产品,可以更厚。例如,对于1.5mm厚的钢元件,由铝制成的同一零件的厚度为4mm,而由碳纤维制成的零件的厚度为7mm。简单地说,材料厚度增加2倍,而刚度大约是原来的8倍。这为通过使用碳纤维减轻重量提供了许多机会。
碳纤维复合材料的热膨胀系数(CTE)很低。碳纤维在20℃下的线性热膨胀系数为2(10⁻⁶/°C)。相同温度20℃下其他结构材料对比如下:
▲ 钛金属 8(10⁻⁶/°C);
▲ 钢11(10⁻⁶/°C);
▲ 不锈钢为17(10⁻⁶/°C);
▲ 铝23(10⁻⁶/°C)。
换句话说,碳纤维复合材料的热膨胀比钛低4倍,比钢低5.5倍,比不锈钢低8.5倍,比铝低11.5倍。
X射线透过性