长期以来，金属钢材料广泛用来制造坚固、持久的结构。与之相比，碳纤维则是一种相对较新的结构材料，但其性能优异且令人印象深刻，因此对钢材料构成了很大的威胁。

碳纤维是由92%甚至更高的碳元素构成，由于其独特的晶体结构而具有高拉伸强度。它通过与聚合物基体复合，而被广泛用于制造轻质高强的复合材料零件。碳的物理性质使碳纤维非常坚固且坚硬，通常而言PAN基碳纤维的弹性模量（材料抗变形的度量）在150-700GPa之间。

碳纤维力学性能范围之所以广泛，是因为可以通过其制造过程工艺调控来调整刚度和强度。碳纤维的拉伸强度是所有已知可用材料中最高的。虽然包括钢在内的许多材料可以具有高的刚度和拉伸强度，但是碳纤维的真正好处是强度高但密度低（约1.6-2.0g/cm³），因此具有比强度高的优点。这使得碳纤维材料具有高的抗张强度，同时又轻巧。

在一些典型应用如航空航天、地面车辆、风力发电机中，较重的材料会消耗更多的能量，随着时间的流逝会造成更大的磨损，因此上述领域中碳纤维优势明显，并获得了广泛应用。

因为钢的高弹性模量约为200GPa，长期以来，钢一直是各类结构用首选材料。这种高刚性及其相对丰富的特性使其成为一种无处不在的制造材料。但钢的密度约为8g/cm³，其重量可能会带来很大负担，尤其是与碳纤维相比，在提供相同的高刚度同时，钢的重量大约是碳纤维材料重量的4-5倍。而从材料拉伸强度而言，钢的拉伸强度300-600MPa也明显低于PAN基碳纤维的3000-7000MPa。

碳纤维有哪些常见应用？

碳纤维可用于生产各种各样的产品。任何需要坚固、轻巧的部件都是碳纤维复合材料的理想选择。它们是手机壳的热门选择，因为它们提供了很高的保护等级，可防止损坏。

它们越来越多地用于无人机和无人驾驶飞机（UAV），这些飞机的重量轻、结构轻、载荷大。在汽车工业中，碳纤维技术进步有潜力将汽车的重量减少近一半，而且，碳纤维不会受到钢或铝的热膨胀的影响。

医学成像台受益于碳纤维的强度和刚度，即使在高剂量的X射线和伽玛射线照射后，也能在负载下保持临界尺寸而不会随时间推移而破裂，因此也成为碳纤维近年来应用的热点。

 建筑加固领域，碳纤维布加固具有抗拉强度高、基本不增加自重、施工简单等特点。工业与民用建筑中钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙结构，桥梁涵洞、隧道、衬砌、钢筋混凝土烟囱、筒仓、池罐侧壁等，因结构损伤承载力不足及改变，且钢筋混凝土结构强度等级不小于C15，且长期使用的环境温度不高于60℃的钢筋混凝土结构，都可采用碳纤维加固施工工法加固、补强。

尽管钢是可靠的材料，但碳纤维制造技术的不断进步和应用范围愈来愈广泛，使其成为钢材料的有力替代品。