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英雄者，胸怀大志，腹有良策，有包藏宇宙之机，吞吐天地之志者也。——《三国演义》
【技术干货】一文简要对比分析碳纤维与金属材料的比强度和比刚
度
众所周知，碳纤维材料非常坚固。在工程应用中，通常会使用强度重量比（strength
toweightratio，比强度）和刚度重量比（stiffnesstoweightratio，比刚度）来衡量
一种材料性能的优劣，特别是在结构设计中，重量的增加可能会导致生命周期的成本增加
或性能的下降。
材料的刚度通常是用其弹性模量（又称杨氏模量）来衡量的，对于碳纤维材料以0°方
向的拉伸模量评价居多。标准模量级碳纤维的拉伸模量通常为33msi（228GPa），其极
限抗拉强度为500ksi（3.5GPa）。当然，通过采用特殊的热处理工艺可以获得更高刚度
和更高强度的碳纤维，这些高刚度、高强度的碳纤维价值自然也会更高。
饭疏食，饮水，曲肱而枕之，乐亦在其中矣。不义而富且贵，于我如浮云。——《论语》
与标准模量碳纤维相比，2024-T3铝材的拉伸模量仅为10msi，极限抗拉强度为65
ksi；4130钢的拉伸模量为30msi，极限抗拉强度为125ksi。钢在低于极限抗拉强度的
应力水平下会发生永久变形，而造成这种情况的应力水平称为屈服强度。与之相比，碳纤
维在极限抗拉强度时不会永久变形，因此它实际上没有屈服强度。
通过碳纤维与金属材料的对比发现，碳纤维刚度重量比优势明显，例如，平纹碳纤维
增强层压板具有大约6msi的弹性模量和大约83lbs/ft³的体积密度，因此，这种材料的
刚度重量比值为107ft。相比之下，铝的密度为169lbs/ft³，产生的刚度重量比值为
8.5×106ft，而4130钢的密度为489lbs/ft³，其刚度重量比为8.8×106ft。因此，即使
是最基本的平纹碳纤维板，其刚度与重量之比也比铝高18%，比钢高14%。
在碳纤维材料产品类型中，通过使用预浸料可产生更高的刚度重量比。比如采用标准
模量碳纤维预浸料的0°/90°叠层组成的面板具有约8msi的弯曲模量，比非预浸料选项
的碳纤维材料刚性高约30%。而对于一些需要最大刚度的非常苛刻的应用，可以选择使
用110msi超高模量碳纤维，这种特殊的超高模量碳纤维的抗弯刚度是标准模量碳纤维预
浸料板（大约25msi）的3倍以上。
百川东到海，何时复西归?少壮不努力，老大徒伤悲。——汉乐府
当考虑通过战略性层压板放置定制碳纤维面板刚度的可能性时，可以制造具有50
msi数量级弯曲刚度的碳纤维面板。根据相关的测试结果表明，所有零度取向的单向超高
模量碳纤维试样的拉伸刚度超过75msi，这已经超过金属钢刚度的两倍，但重量却只有
铝重量的一半。
通过碳纤维与金属材料对比分析表明，高性能碳纤维材料的刚度重量比是钢或铝的
10倍以上。如果将这些材料与轻质蜂窝状和泡沫芯结构相结合时，强度重量比和刚度重
量比都可能大幅增加，那么先进的碳纤维复合材料在各种各样应用中所能产生的影响自然
是显而易见的。
（主要参考：drgonplate）
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