《碳纖維材料選擇指南》*，碳纖維材料選擇需綜合多方面因素，首先要依據(jù)應(yīng)用需求，如航空航天側(cè)重高強(qiáng)輕質(zhì)、體育用品關(guān)注性能與成本平衡等，考量碳纖維的類(lèi)型，包括高強(qiáng)度型、高模量型等不同特性類(lèi)別，要注意纖維的規(guī)格，如絲束大小影響加工與性能，樹(shù)脂基體的選擇也至關(guān)重要，不同基體在耐熱、粘結(jié)性等方面有差異，還需考慮供應(yīng)商的資質(zhì)與產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，以及成本因素。

碳纖維材料選擇指南

一、根據(jù)性能需求選擇

• 強(qiáng)度和模量要求
  • 碳纖維強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)高于鋼，若對(duì)材料強(qiáng)度要求高，如航空航天、汽車(chē)制造領(lǐng)域，碳纖維是很好的選擇。例如在航空航天領(lǐng)域制造飛行器框架等部件，需要承受極大的應(yīng)力，碳纖維的高強(qiáng)度能滿足需求。其強(qiáng)度是鋼的20倍，是鋁的3倍，是混凝土的100倍，是木材的1000倍；模量也很高，適合對(duì)剛度有要求的結(jié)構(gòu)部件制造。
• 重量考量
  • 碳纖維質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，在對(duì)材料重量有嚴(yán)格限制且要求較高強(qiáng)度的場(chǎng)景下適用。比如在汽車(chē)工業(yè)中，為了降低車(chē)身重量從而提高燃油效率或者續(xù)航里程（對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)），碳纖維材料可用于車(chē)身框架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等部件制造，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)。
• 耐腐蝕性需求
  • 如果使用環(huán)境存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，如海洋工程、化工設(shè)備領(lǐng)域，碳纖維的耐腐蝕性能強(qiáng)，不易受到環(huán)境因素的影響，可以優(yōu)先考慮。例如海上石油鉆井平臺(tái)的一些結(jié)構(gòu)部件，使用碳纖維可減少海水腐蝕帶來(lái)的損壞風(fēng)險(xiǎn)。
• 耐高溫要求
  • 碳纖維耐高溫性能居所有化纖之首，在高溫環(huán)境下仍能保持良好性能，適用于電力設(shè)備、冶金設(shè)備等高溫工作場(chǎng)景。例如在冶金工業(yè)中的高溫爐附近的一些支撐結(jié)構(gòu)或者防護(hù)部件，碳纖維能夠承受高溫而不變形損壞。
• 耐疲勞特性
  • 在一些需要長(zhǎng)期承受交變載荷的結(jié)構(gòu)中，如飛機(jī)機(jī)翼、橋梁拉索等，碳纖維的耐疲勞性能使其成為合適的材料選擇，能在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中保持性能穩(wěn)定。

二、考慮成本因素

• 材料成本
  • 不同等級(jí)、不同制造工藝的碳纖維材料成本有差異。一般來(lái)說(shuō)，高性能的碳纖維成本相對(duì)較高。在滿足性能要求的前提下，需要對(duì)比不同供應(yīng)商的價(jià)格，選擇性價(jià)比高的碳纖維材料。
• 加工成本
  • 碳纖維的加工包括切割、打磨、鉆孔、粘接等步驟，不同的加工工藝和設(shè)備要求會(huì)帶來(lái)不同的加工成本。例如一些特殊形狀或者高精度要求的部件加工，可能需要更先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，加工成本會(huì)相應(yīng)提高。
• 維護(hù)成本
  • 碳纖維材料的維護(hù)主要包括清潔、防潮、防塵、防腐蝕等步驟。在選擇碳纖維材料時(shí)，需要考慮維護(hù)的難易程度和成本。例如在戶外使用的碳纖維制品，可能需要更頻繁的維護(hù)以防止老化和損壞，維護(hù)成本就需要納入考量范圍。

三、結(jié)合使用環(huán)境

• 溫度環(huán)境
  • 高溫環(huán)境下：應(yīng)選擇耐高溫的材料，如高溫碳纖維，以保證其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
  • 低溫環(huán)境下：應(yīng)選擇低溫性能良好的材料，如低溫增強(qiáng)纖維，以防止材料脆化和斷裂。
  • 溫度變化頻繁的環(huán)境下：應(yīng)選擇適應(yīng)性強(qiáng)的材料，如溫度敏感性低的材料，以減少溫度變化對(duì)材料性能的影響。
• 濕度環(huán)境
  • 高濕度環(huán)境下：應(yīng)選擇抗腐蝕性能好的材料，如防腐蝕碳纖維，以防止材料被腐蝕。
  • 低濕度環(huán)境下：應(yīng)選擇吸濕性好的材料，如吸濕性碳纖維，以防止材料干燥開(kāi)裂。
  • 濕度變化頻繁的環(huán)境下：應(yīng)選擇穩(wěn)定性好的材料，如濕度敏感性低的材料，以減少濕度變化對(duì)材料性能的影響。
• 光照環(huán)境
  • 長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)光下的環(huán)境下：應(yīng)選擇耐光性好的材料，如耐光碳纖維，以防止材料老化和褪色。
  • 長(zhǎng)期暴露在弱光下的環(huán)境下：應(yīng)選擇吸光性好的材料，如吸光碳纖維，以防止材料變色和褪色。
  • 光照變化頻繁的環(huán)境下：應(yīng)選擇穩(wěn)定性好的材料，如光照敏感性低的材料，以減少光照變化對(duì)材料性能的影響。
• 風(fēng)力環(huán)境
  • 高風(fēng)力環(huán)境下：應(yīng)選擇抗風(fēng)性能好的材料，如抗風(fēng)碳纖維，以防止材料被風(fēng)吹動(dòng)。
  • 低風(fēng)力環(huán)境下：應(yīng)選擇風(fēng)阻小的材料，如風(fēng)阻小的碳纖維，以減少風(fēng)阻對(duì)材料性能的影響。
  • 風(fēng)力變化頻繁的環(huán)境下：應(yīng)選擇穩(wěn)定性好的材料，如風(fēng)力敏感性低的材料，以減少風(fēng)力變化對(duì)材料性能的影響。
• 地震環(huán)境
  • 高地震環(huán)境下：應(yīng)選擇抗震性能好的材料，如抗震碳纖維，以防止材料在地震中受損。
  • 低地震環(huán)境下：應(yīng)選擇地震影響小的材料，如地震影響小的碳纖維，以減少地震對(duì)材料性能的影響。

四、依據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量判斷

• 外觀檢查
  • 對(duì)于碳纖維布等制品，可以通過(guò)外形來(lái)判斷其質(zhì)量。一般品牌口碑比較好的廠商生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，碳布的色澤是比較光亮的，而且顏色也比較均勻。
• 觸感判斷
  • 從觸感的角度來(lái)看，一般品質(zhì)比較好的碳纖維布，摸起來(lái)平滑細(xì)膩，有一定的厚度，絲束均勻柔順，布面平整，單向編織、無(wú)斷緯、脫緯或斷經(jīng)等嚴(yán)重的外觀缺點(diǎn)。
• 強(qiáng)度測(cè)試
  • 可以通過(guò)拉扯來(lái)初步判斷碳纖維布等制品的強(qiáng)度能否滿足要求，品質(zhì)低劣的布，強(qiáng)度很差，用手就能輕易拉斷，但最準(zhǔn)確的辦法還是查證產(chǎn)品的檢測(cè)報(bào)告，更清晰地了解碳纖維布各個(gè)性能所表現(xiàn)出來(lái)的數(shù)值。例如合格的碳纖維布會(huì)通過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)的多項(xiàng)嚴(yán)格的性能測(cè)試，一般高強(qiáng)度Ⅰ級(jí)碳布的性能較佳，抗拉強(qiáng)度大于等于3400MPa、彈性模量230GPa、伸長(zhǎng)率達(dá)1.6%；優(yōu)質(zhì)碳纖維布采用12K小絲束編織而成。

碳纖維材料耐高溫性能應(yīng)用

碳纖維材料耐腐蝕性能案例

碳纖維材料在航空航天的應(yīng)用

碳纖維材料的成本效益分析