碳纤维vs钢 哪个更强?

2020-08-29 11:33:03 admin 1

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。

 

碳纤维布

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