碳纤维设计与应用指南

碳纤维由直径为 5 至 10 微米的纤维束组成，这些纤维束由呈微观晶体结构的长而紧密的碳原子链组成。这些纤维非常坚硬、坚固且重量轻，可用于许多工艺以制造高性能建筑材料。碳纤维增强材料有多种编织、编织和其他形式，如丝束和单向。这些与各种树脂相结合，可生产出各种形状和纤维图案的碳纤维增强复合材料。

碳纤维是如何制成的？

第 1 步：前体

为了生产碳纤维，需要有机聚合物前体。这种原材料经过加热和化学试剂处理，将其转化为碳纤维。

第一种高性能碳纤维材料是由人造丝前体制成的。

目前，大约 90% 的碳纤维是由聚丙烯腈制成的，而另外 10% 左右是由人造丝或石油沥青制成的。

第 2 步：制造

碳纤维制造过程始于碳化。为了获得高质量的碳纤维，前体聚合物需要包含高百分比的碳原子。结构内的大部分非碳原子将在此过程中被去除。

首先，前体被拉成长纤维。然后将这些纤维在厌氧气体混合物（不存在氧气）中加热到非常高的温度，以确保材料不会燃烧。热量激发纤维的原子结构，并从材料中驱除大部分非碳原子。

第 3 步：治疗

碳化后，必须对碳纤维的表面进行处理以提高与环氧树脂或其他树脂的粘合性。碳纤维表面的仔细氧化改善了化学粘合性能，同时表面的粗糙化提供了改善的机械粘合。

这种氧化可以以多种不同的方式完成。碳纤维可以暴露于各种气体，如二氧化碳或臭氧，或液体，如硝酸，甚至电解处理。

第 4 步：调整大小

在编织之前，碳纤维必须上浆或涂上聚合物，以在编织过程中保护它们。选择施胶剂以与要使用的层压树脂相容。然后将纤维缠绕到线轴上、纺纱并加工成各种编织和其他形式

为什么要使用碳纤维而不是另一种材料？

理由一：实力

人们考虑使用碳纤维的主要原因是其高刚度重量比。碳纤维非常坚固，非常坚硬，而且相对较轻。

材料的刚度是通过其弹性模量来衡量的。碳纤维的模量通常为 34 MSI (234 Gpa)。碳纤维的极限抗拉强度通常为 600-700 KSI (4-4.8 Gpa)。与 2024-T3 铝相比，其模量仅为 10 MSI，极限抗拉强度为 65 KSI，或者与 4130 钢相比，其模量为 30 MSI，极限抗拉强度为 125 KSI。

由于材料的改进和碳纤维的加工，还可以使用高模量和超高模量碳纤维或高强度碳纤维。

复合碳纤维部件是碳纤维和树脂的组合，通常是环氧树脂。碳纤维复合材料部件的强度和刚度将是纤维和树脂的综合强度和刚度的结果。复合材料部件的局部强度和刚度的大小和方向由层压板中的局部纤维密度和方向控制。

在工程中，通常根据强度重量比（比强度）和刚度重量比（比刚度）来量化结构材料的益处，特别是在减轻重量与提高性能或降低生命周期成本有关的情况下。

由标准模量平纹编织碳纤维制成的碳纤维板采用平衡和对称的 0/90 叠层，其弹性弯曲模量约为。10 微星。它的体积密度约为 0.050 lb/in3。因此，该材料的刚度重量比或比刚度为 200 MSI。该板的强度约为。90 KSI，因此这种材料的比强度为 1800 KSI。

相比之下，6061 铝的弯曲模量为 10 MSI，强度为 35 KSI，体积密度为 0.10 磅。这产生了100 MSI的比刚度和 350 KSI 的比强度。4130 钢的刚度为 30 MSI，强度为 125 KSI，密度为 0.3 lb/in3。这产生了100 MSI的比刚度和 417 KSI 的比强度。

材料	比刚度	比强度
碳纤维	200 微星	1800 KSI
6061铝	100 微星	350 克西
4130 钢	100 微星	第417章

因此，即使是基本的平纹碳纤维面板，其比刚度也比铝或钢高 2 倍。它的特定强度是铝的 5 倍，是钢的 4 倍以上。

当考虑通过战略性纤维放置来定制碳纤维面板刚度的选项时，包括使用轻质芯材的夹层结构可能显着增加刚度时，碳纤维复合材料在各种应用中的优势是否显而易见。具体数字取决于构造和应用的细节。例如，泡沫芯三明治在弯曲时具有极高的强度重量比，但在压缩或压碎时却不一定。此外，任何组件的载荷和边界条件都是特定结构所独有的。因此，如果不仔细考虑所有设计因素，就不可能提供在给定应用中直接替代钢板的碳纤维板厚度。

原因二：低热膨胀

选择碳纤维的一个重要好处是它随温度变化的尺寸稳定性。碳纤维的热膨胀系数小于每华氏度百万分之一英寸，而钢的热膨胀系数为每华氏度的百万分之一英寸/英寸，铝的热膨胀系数为百万分之一英寸/英寸。

原因 3：各向异性特性

在设计复合材料部件时，不能简单地将碳纤维与钢、铝或塑料的性能进行比较。这些材料具有均质（所有点的特性相同）和各向同性（沿所有轴的特性相同）。相比之下，碳纤维部件既不是均匀的也不是各向同性的。在碳纤维部件中，强度位于纤维的轴上，因此纤维密度和取向会极大地影响机械性能。这提供了泰勒沿任何轴的零件机械性能的能力。

碳纤维设计

碳纤维设计过程始于对每个客户要求的透彻了解，并生成正式的产品规格。基于这些技术要求以及数量和成本考虑，产品和工艺开发同时进行。在大多数情况下，碳纤维设计过程涉及 CAD 设计、分析和计算分析以及成本估算之间的大量迭代。不同的定制碳纤维设计项目在这些领域需要不同的重点，具体取决于客户和应用。

碳纤维分析

当前的计算工具包括用于复合材料有限元应力分析的NeiNastran 。从先进的碳纤维桁架结构到假肢，再到风力涡轮机和无人驾驶飞行器的各种应用。

碳纤维原型

设计过程的一个组成部分是原型设计。碳纤维原型团队由经验丰富的工程师和经验丰富的工匠组成。碳纤维原型的范围可以从简单的测试件到功能齐全的接近生产就绪的组件。通常，单个组件和子组件会经过广泛的测试，以验证设计计算并向客户保证最终产品将满足所有规格。

除了用于评估功能外，我们的高品质碳纤维原型还经常被客户用作营销工具。即使在产品开发的早期阶段，我们的原型团队也致力于在形式和功能方面达到生产级质量。

碳纤维制造

多种定制碳纤维工艺，包括湿法铺层、真空袋装、配套工具、真空辅助树脂转移 (VARTM)、拉挤成型和其他非传统专有方法。由于碳纤维复合材料的导电性、刚度和脆性，加工这些零件需要特殊的工具，并且通常需要非传统技术。

碳纤维用途和应用

1. 碳纤维桁架和横梁

碳纤维复合材料为传统材料（如钢或铝）提供了替代材料，用于建造轻质桁架和框架结构。

2.方形碳纤维管和角撑板

第一个高强度、坚固的结构系统利用矩形和方形管和角撑板将它们连接起来。管子的尺寸从 3/4”x3/4” 到 2”x4” 或更大。除了整体尺寸外，还可以定制壁厚、角撑板几何形状和铺设时间表，以满足每种应用的需求。例如，可以将单向碳纤维添加到单个构件中以增加弯曲/轴向刚度和强度。同样，可以调整角撑板厚度和几何形状，以确保通过接头进行适当的负载传递。NeiNastran 复合 FEA 计算可用于优化结构以实现最小重量，同时保持指定的强度和刚度要求。

3. 模块化连接器和卷绕碳纤维管

DragonPlate现在提供全系列获得专利的模块化碳纤维管连接器，可以很容易地使用卷装碳纤维管构建坚固、坚固的结构。模块化连接器通常在管端内部粘合，并通过螺栓相互连接。多个管子可以用一个螺栓连接，可以很容易地拆卸，以便快速拆卸并在以后重新安装。简单的销钉接头允许无限选择连接角度。管可以连接到板或其他安装支架。带有端螺纹的模块化连接器可以轻松连接硬件、传感器、摄像头等。连接器通过非常坚固的专利接头设计轻松粘合到管中。