为什么碳纤维又轻又结实?

为什么碳纤维又轻又结实?

碳纤维很轻,因为它们由原子量低的碳原子组成,它们具有石墨晶体结构(由熔融苯环组成的堆叠六边形网格平面),并且碳原子之间存在较大的间隙。碳纤维的强度源于石墨晶体结构中网格平面方向的强度。

碳纤维轻的原因

物质的重量(g/cm3)由其密度表示。物质的密度由组成它的原子的重量(原子量)和原子的排列方式(晶系)决定。例如,我们熟悉的金属的原子量为:铝26.98,铁55.85,金196.97。而碳的原子量为12.01;金属原子的1/2至不到1/10。

石墨晶体结构

由相同碳原子组成的材料的密度随晶体结构的变化而变化。金刚石的密度为3.51g/cm3石墨的密度为2.26 g/cm3。碳原子之间的距离因它们的排列方式而异,石墨中晶体的间隙比钻石中的间隙大。碳纤维比金属轻,因为碳原子的原子量低,并且它们之间的间隙很大。

碳纤维坚固的原因

石墨晶体具有由熔融苯环组成的六边形网格平面堆叠的结构。由于分子间作用力非常弱,因此在堆叠方向上的结合很容易分离。

另一方面,六边形网格平面内的碳原子在3个方向上具有很强的共价键,因此网格平面方向的抗拉强度非常强。钻石很硬,因为所有碳原子都仅通过共价键连接。

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