碳纤维是一种纤维编织垫，当用树脂浸渍和固化时，会产生一种比钢更轻、更坚固的材料。它用于航空航天、医疗、建筑、体育、海洋和军事工业的高性能应用。碳纤维正在开发用于储能系统，并且已经在3D打印中有一些用途。3D打印的碳纤维使用与传统碳纤维不同的方法掺入零件中，但仍能产生高强度、低重量的组件。碳纤维的限制因素是其高成本。然而，它的成本正在下降，这为碳纤维的更多应用打开了大门。本文将讨论：什么是碳纤维？，它在3D打印中的特性，应用和用途。
什么是碳纤维？
碳纤维是大量的碳丝，它们组合在一起并编织成织物垫。然后将织物垫切割成形状，用多层堆积，并用树脂浸渍。然后将树脂固化以制成零件。碳纤维之所以特别，是因为其令人印象深刻的强度重量比。下图 1 是由碳纤维制成的后视镜的图片：
碳纤维的另一个术语是什么？
碳纤维也可以称为石墨纤维或碳石墨。它可以在复合材料或纤维增强塑料的总称下引用。术语复合材料用于描述具有基体和增强材料的材料。在碳纤维的情况下，纤维是增强材料，树脂是基体。纤维增强塑料用于描述玻璃纤维和芳纶复合材料以及碳纤维。
碳纤维是什么时候发明的？
1860年，约瑟夫·威尔逊·斯旺爵士（Sir Joseph Wilson Swan）首次发明了碳纤维，用于白炽灯泡，因为这些纤维具有非常高的耐热性。然而，当时的碳纤维长丝并不是很坚固。因此，当钨开始用于灯泡时，碳纤维已经有 50 多年没有使用了。然后，在 1960 年代，劳斯莱斯可以生产更坚固的碳纤维用于喷气发动机。然而，由于碳纤维的脆性，其使用在很长一段时间内受到限制。从那时起，碳纤维生产变得更加有效。如今，碳纤维的抗拉强度在4000 MPa范围内，模量为400 GPa，这为其应用开辟了更多应用。
碳纤维是由什么制成的？
碳前体聚丙烯腈的氧化、碳化和石墨化占碳纤维材料的90%。另外10%的前体来自沥青或纤维素。
碳纤维的特性是什么？
碳纤维的非机械性能是：
- 导电
- 耐腐蚀
- 不易燃
- 无毒
碳纤维的机械性能是什么？
碳纤维的机械性能包括：
- 轻
- 高强度
- 抗蠕变
- 抗疲劳
- 高模量
- 脆性
碳纤维编织有哪些不同类型？
与其他复合材料一样，碳纤维有六种主要的编织风格。最简单的编织是平纹，是一种一过一的风格。其他五种编织风格是：
1.斜纹编织：
2.缎面编织
3. 篮子编织
4. 雷诺编织
5.模拟纱罗编织
每个编织的卷曲都会影响材料特性。压接是光纤在垂直于它的纤维上方和下方的次数。通常较高的压接导致悬垂性和强度差，但稳定性好。悬垂性是材料在固化前形成复杂几何形状的能力，稳定性是衡量织物在铺设固化时保持在一起的能力的指标。下表 1 显示了每种编织特性的等级：
碳纤维有多强？
碳纤维分为：标准、中等、高和超高模量质量，抗拉强度范围为 3.55 GPa。下表2显示了碳纤维的拉伸强度和模量性能范围：碳纤维重吗？
不，碳纤维不重。碳纤维非常轻巧，这是它最需要的两个特性之一，另一个是它的强度。碳纤维的重量将取决于每 cm2 的纤维数量和用于粘合它的树脂。例如，不含树脂的碳纤维平纹编织物的重量为 210 g/m2，厚度仅为 0.28 mm。相比之下，钢的重量为 4 kg/m2，厚度为 0.5 mm。
碳纤维的化学性质是什么？
碳纤维的化学性质有：
- 耐化学腐蚀
- 无毒
- 不易燃
碳纤维有哪些不同的高级应用？
通常，由于碳纤维的成本原因，对碳纤维的要求仅限于高性能应用。使用碳纤维的行业的完整列表如下：
1. 航空航天业
航空航天业用于描述从小型无人机到商用客机和卫星的一切。与许多行业一样，碳纤维对这个行业最重要的特性是它的重量。在商用客机的建造中使用轻质材料每年为每架飞机节省数百万美元的燃料。如今，在飞机上使用碳纤维使一些飞机的重量减轻了20%。碳纤维主要用于机身、尾翼、鼻锥和旋翼叶片等结构。在飞机上使用碳纤维的缺点是几乎看不见的冲击损坏 （BVID）。BVID是肉眼几乎看不到的损伤，是所有复合材料中非常常见的损伤类型。这是一个重大问题，因为看不见的损坏会危及组件的安全性。检测BVID非常困难，需要大量的培训和测试。
2. 体育用品
碳纤维用于一系列运动器材中，以减轻重量，同时保持强度。它可以在网球拍、滑雪板、滑雪板、自行车和高尔夫球杆中找到。体育产业已经利用碳纤维的轻质来制造移动速度更快的设备。由于使用碳纤维的自行车重量减轻，骑自行车的人能够比以前骑得更快。碳纤维在体育用品中最大的问题是它是最昂贵的材料。
3. 医疗器械
碳纤维既用于医疗行业的 X 射线设备，也用于植入物。碳纤维作为 X 射线设备的一部分用于顶板，因为它是射线可透的，这意味着 X 射线可以很容易地穿过它而不会中断。碳纤维用于医疗植入物，因为它耐磨，强度重量比高，并且具有与骨骼相当的弹性模量。使用碳纤维而不是金属进行植入物的缺点是，与金属不同，碳纤维很脆，更容易破碎。
4. 储能系统
目前正在进行研究，希望开发碳纤维结构电池。这意味着，例如，汽车的结构可以由碳纤维电池制成。这种技术将减轻电动汽车的重量，使其效率更高。目前该系统的缺点是，对车辆的任何撞击损坏都更有可能导致车辆被注销，因为损坏很难评估，甚至更难修复。
5. 土木工程
碳纤维被用于土木工程中，以建造桥梁和混凝土结构。在民用应用中，碳纤维的重量轻虽然优先，但不是最重要的因素，但强度才是。碳纤维被用于加固通常使用钢材的混凝土结构。根据钢和碳纤维的不同，碳纤维的强度是钢的 5 到 10 倍。碳纤维也被用作桥梁承重结构的一部分。碳纤维在土木工程中的最大缺点是它比它通常替代的钢材贵得多。
6. 海洋技术
复合材料在船舶工业中的最大用途是游艇和小船。几十年来，游艇和小艇的船体一直由玻璃纤维制成，因为它重量轻且耐腐蚀。碳纤维价格的下降是它现在被用于游艇的一个原因。碳纤维还用于制造桅杆、吊杆和龙骨。强度、重量轻、抗疲劳性都是船舶工业所利用的优势。碳纤维在船舶应用中的最大缺点是损坏难以检测，这会导致巨大的安全问题。
7. 军事和国防技术
碳纤维复合材料在军事和国防工业中有许多用途。最著名的例子包括用于无人机、直升机、喷气式飞机和运输机以及飞行员头盔。碳纤维的重量轻，强度高，使飞机更省油，性能更好。飞行员头盔变得越来越复杂，因此越来越重。使用碳纤维可以减轻重量，从而消除飞行员的压力。在军用飞机上使用碳纤维的缺点是损坏极难检测和修复。
碳纤维如何与3D打印结合使用？
碳纤维可以作为连续纤维层用于 3D 打印，也可以作为熔融沉积建模 （FDM） 打印机的长丝中的短线打印。要使用连续纤维进行3D打印，打印机需要两个打印头，一个用于塑料长丝，一个用于碳纤维。使用增强层可以制造出比金属更轻、更坚固的 3D 打印部件。碳纤维也可以作为短线嵌入长丝中。使用短切的碳纤维股可显着提高零件的强度和刚度，而不会大幅增加价格。
航空航天工业中的3D打印如何使用碳纤维来制造不同的零件？
目前，碳纤维3D打印在航空航天工业中是有限的。使用新材料和新工艺在用于航空航天之前需要大量的鉴定。然而，许多航空航天公司正在使用3D打印的碳纤维部件作为支架和专用工具。3D打印被用于制造有限的生产零件，否则这些零件的交货时间会很长。许多维修和维护任务需要专门的工具，成本高，交货时间长。借助 3D 打印碳纤维，现在可以缩短交货时间并降低成本。
与其他3D打印材料相比，碳纤维的优势是什么？
与其他3D打印材料相比，碳纤维打印部件的优点是强度更高。大多数3D打印部件由PLA或ABS制成，这些部件相对较弱，这意味着这些部件不能用于结构目的。然而，使用3D打印的碳纤维材料，强度可与铝相媲美。这为使用3D打印零件打开了许多应用。
碳纤维比钢强吗？
是的，在比较它们各自的强度重量比时，碳纤维比钢更坚固。虽然钢和碳纤维的弹性模量均为 200 GPa，但钢的重量是碳纤维的五倍。这种高强度重量比是碳纤维在许多应用中可能受到青睐的原因。
碳纤维比铝强吗？
是的，碳纤维比铝强得多。铝可以达到 570 MPa，而超高模量碳纤维可以达到超过 5.5 GPa 的抗拉强度。有关更多信息，请参阅我们的指南 什么是铝.
碳纤维和碳纤维3D长丝有什么区别？
传统的碳纤维和3D打印的碳纤维都增加了强度，重量轻，但应用方法却大不相同。传统上，碳纤维是一种纤维编织垫，涂有树脂，然后固化。传统的碳纤维通常被制成较大的面板和管状部分，但也可以制成支架。3D打印的碳纤维要么被切成细股，然后添加到细丝中，然后从细丝中打印成通常具有复杂几何形状的零件，要么在3D打印零件的离散层中打印为单一的连续链。
