【技术干货】一文简要对比分析碳纤维与金属材料的比强度和比刚度
众所周知，碳纤维材料非常坚固。在工程应用中，通常会使用强度重量比（strength to weight ratio，比强度）和刚度重量比（ stiffness to weight ratio，比刚度）来衡量一种材料性能的优劣，特别是在结构设计中，重量的增加可能会导致生命周期的成本增加或性能的下降。
材料的刚度通常是用其弹性模量（又称杨氏模量）来衡量的，对于碳纤维材料以0°方向的拉伸模量评价居多。标准模量级碳纤维的拉伸模量通常为33msi（228GPa），其极限抗拉强度为500ksi（3.5GPa）。当然，通过采用特殊的热处理工艺可以获得更高刚度和更高强度的碳纤维，这些高刚度、高强度的碳纤维价值自然也会更高。
与标准模量碳纤维相比，2024-T3铝材的拉伸模量仅为10 msi，极限抗拉强度为65 ksi；4130钢的拉伸模量为30 msi，极限抗拉强度为125 ksi。钢在低于极限抗拉强度的应力水平下会发生永久变形，而造成这种情况的应力水平称为屈服强度。与之相比，碳纤维在极限抗拉强度时不会永久变形，因此它实际上没有屈服强度。
通过碳纤维与金属材料的对比发现，碳纤维刚度重量比优势明显，例如，平纹碳纤维增强层压板具有大约 6 msi 的弹性模量和大约 83 lbs/ft³的体积密度，因此，这种材料的刚度重量比值为 107 ft。相比之下，铝的密度为 169 lbs/ft³，产生的刚度重量比值为 8.5×106 ft，而 4130 钢的密度为 489 lbs/ft³，其刚度重量比为 8.8×106 ft。因此，即使是最基本的平纹碳纤维板，其刚度与重量之比也比铝高 18%，比钢高 14%。
在碳纤维材料产品类型中，通过使用预浸料可产生更高的刚度重量比。比如采用标准模量碳纤维预浸料的 0°/90°叠层组成的面板具有约 8 msi 的弯曲模量，比非预浸料选项的碳纤维材料刚性高约 30%。而对于一些需要最大刚度的非常苛刻的应用，可以选择使用 110 msi 超高模量碳纤维，这种特殊的超高模量碳纤维的抗弯刚度是标准模量碳纤维预浸料板（大约 25 msi）的3 倍以上。
当考虑通过战略性层压板放置定制碳纤维面板刚度的可能性时，可以制造具有 50 msi 数量级弯曲刚度的碳纤维面板。根据相关的测试结果表明，所有零度取向的单向超高模量碳纤维试样的拉伸刚度超过75 msi，这已经超过金属钢刚度的两倍，但重量却只有铝重量的一半。
通过碳纤维与金属材料对比分析表明，高性能碳纤维材料的刚度重量比是钢或铝的10倍以上。如果将这些材料与轻质蜂窝状和泡沫芯结构相结合时，强度重量比和刚度重量比都可能大幅增加，那么先进的碳纤维复合材料在各种各样应用中所能产生的影响自然是显而易见的。