碳纤维解释：特性、用途和 3D 打印应用

碳纤维，又名石墨纤维或碳石墨，已成为多个领域的最爱，这是有充分理由的。但我们不会在简介中透露全部内容：请继续阅读以了解这种材料是什么、它的不同类型以及它的用途。

什么是碳纤维？

碳纤维是一种由编织纤维制成的织物垫，被归类为复合材料和纤维增强塑料。它由 90% 聚丙烯腈（碳前体）和 10% 其他前体（如沥青或纤维素）组成。这种材料是通过碳化、氧化或石墨化制成的。首先将其切割成所需的形状，用树脂浸渍，然后采用上述方法之一进行加工。固化后，结果是一种轻质且极其坚固的材料，具有令人印象深刻的强度重量比。 

这种纤维的高耐热性激发了约瑟夫·威尔逊·斯旺 (Joseph Wilson Swan) 爵士在 1860 年将其用于白炽灯泡的灵感。当时，碳纤维丝的强度不如现在，因此当钨出现时，它几乎接管了灯泡制造部门。 50 多年过去了，碳纤维还没有真正用于任何用途，但在 20 世纪 60 年代推出了更强大的版本，劳斯莱斯将其用于喷气发动机——尽管它很脆。

如今制造中使用的碳纤维具有约 4,000 MPa 的拉伸强度和 400 GPa 的高模量，使其可用于多种用途（不仅仅是灯泡）。它具有抗蠕变、抗疲劳、抗化学品和抗腐蚀的特性，并且不易燃且无毒。经过正确的处理，它可以导电。

这种材料非常昂贵。它比钢更轻、更坚固，但其高昂的成本使得制造商除非绝对必要，否则不会使用它（有点像你为特殊场合节省的昂贵香水）。但现在碳纤维的价格下降了，用量也上升了！碳纤维等待高调任务的日子已经结束了；它现在被制成工具和固定件、弹簧和电线，甚至可以用来加固轮胎。

碳纤维的其他术语是什么？

碳纤维也可称为石墨纤维或碳石墨。它可以被称为复合材料或纤维增强塑料的总称。术语复合材料用于描述具有基体和增强材料的材料。就碳纤维而言，纤维是增强体，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？

碳纤维由 Joseph Wilson Swan 爵士于 1860 年首次发明，用于白炽灯泡，因为这些纤维具有非常高的耐热性。不过，当时的碳纤维丝强度还不是很高。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 20 世纪 60 年代，罗尔斯·罗伊斯公司可以生产出用于喷气发动机的更强的碳纤维。但由于碳纤维的脆性特性，长期以来其使用受到限制。从那时起，碳纤维的生产变得更加有效。如今碳纤维的拉伸强度达到 4,000 MPa，模量达到 400 GPa，这为其使用开辟了更多应用领域。

碳纤维是由什么制成的？

碳前驱体聚丙烯腈的氧化、碳化、石墨化构成了碳纤维材料的90%。另外 10% 的前体来自沥青或纤维素。 

碳纤维有什么特性？ 

碳纤维的非力学性能有：

1. 导电
2. 耐腐蚀
3. 不易燃
4. 无毒

碳纤维的机械性能是什么？

碳纤维的力学性能包括：

1. 轻量级
2. 高强度
3. 抗蠕变
4. 抗疲劳
5. 高模量
6. 脆性

纤维在其他纤维之上和之下的次数称为卷曲，卷曲程度越高，通常其稳定性越高。但高卷曲碳纤维意味着该材料不会非常灵活（称为其悬垂性）来形成复杂的形状或几何形状。

碳纤维有多强？

碳纤维分为：标准、中、高、超高模量质量，拉伸强度从3.55 GPa起。

碳纤维重吗？

不，碳纤维并不重。碳纤维非常轻，这是它最理想的两个特性之一，另一个是它的强度。碳纤维的重量取决于每平方厘米的纤维数量以及用于粘合纤维的树脂。例如，不含树脂的碳纤维平纹斜纹织物重量为 210 克/平方米，厚度仅为 0.28 毫米。作为比较，厚度为 0.5 毫米的钢材重量为 4 千克/平方米。

碳纤维的化学性质是什么？

碳纤维的化学性质为：

1. 耐化学腐蚀
2. 无毒
3. 不易燃

碳纤维有哪些不同的高级应用？

由于价格昂贵，碳纤维目前仅用于高性能应用，下面列出了其中的一些。

1。航空航天工业

碳纤维重量轻，适用于飞机机身、尾翼、鼻锥和旋翼叶片。当这些部件由这种材料制成时，飞机重量最多可减轻 20%，从而节省数百万美元的燃料。 

2。体育用品

它用于制造更轻、更强、移动更快的网球拍、滑雪板、滑雪板、自行车和高尔夫球杆。准备好花更多钱购买碳纤维运动器材吧。

3。医疗器械

X 射线设备和植入物由碳纤维制成，主要是因为它具有射线可透过性（X 射线可以轻松穿过它）。它还耐磨，并且具有与人骨相似的刚度。与某些植入物中使用的金属不同，碳纤维很脆，可能会破碎。

4。储能系统

碳纤维电池存储系统的计划正在进行中，这将大大减轻电动汽车的重量。

5。土木工程

碳纤维在强度比重量更重要的桥梁和混凝土结构中越来越受欢迎。因为它的强度比钢高十倍，所以它是首选，但正如我们所确定的，它的使用成本要高得多。

6。海洋技术

随着碳纤维的价格下降，它开始取代游艇和小船中玻璃纤维的使用。 

7。军事与国防技术

无人机、直升机、喷气式飞机和运输机都可以用这种材料制造。多年来，头盔的设计变得更加复杂，这也使得它们更重。碳纤维可以拯救世界（但仍然存在难以检测损坏的问题）。

不过，它的一个缺点是“几乎不可见的冲击损坏”。基本上，用肉眼很难发现这种材料的损坏，因此检查故障需要大量的培训和测试。该因素影响上述大部分行业，尤其是航空航天、能源、海洋和军事。

碳纤维如何与3D打印结合使用？

碳纤维与3D打印兼容。它既可以用作连续纤维层，也可以在 FDM（熔融沉积成型）打印机的长丝中打印为短丝。如果要使用连续纤维进行打印，打印机将需要两个打印头：一个用于塑料丝，一个用于碳纤维。如果您选择在长丝内嵌入短切原丝，则可以提高打印部件的强度和刚度，而不会破产。在 3D 打印中使用这种材料意味着您可以制造可用于结构目的的零件，因为它们比 3D 打印中使用的典型 PLA 和 ABS 更坚固。使用碳纤维，零件的强度可与铝等材料相媲美。

航空航天工业在一定程度上正在使用3D打印碳纤维零件。由于安全法规的原因，任何新技术或材料在用于航空航天之前都需要经过广泛的测试和鉴定，但目前，由 3D 打印碳纤维制成的支架零件和专用工具并不罕见。公司也不必应对漫长的交货时间。

有关碳纤维的常见问题

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打印在航空航天领域的应用有限。使用新材料和工艺在用于航空航天之前需要经过大量的资格认证。然而，许多航空航天公司正在使用 3D 打印碳纤维零件作为支架和专用工具。 3D 打印用于制造限量生产的零件，否则交货时间会很长。许多维修和维护任务需要专门的工具，成本高且交货时间长。借助 3D 打印碳纤维，交货时间和成本现在都在大幅削减。

要了解更多信息，请参阅我们有关航空航天 3D 打印的完整指南。

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 打印零件均由相对较弱的 PLA 或 ABS 制成，这意味着这些零件不能用于结构用途。然而，3D打印的碳纤维材料的强度与铝相当。这为 3D 打印零件的使用开辟了许多应用领域。

碳纤维比钢更强吗？

是的，在比较各自的强度重量比时，碳纤维比钢更强。虽然钢和碳纤维的弹性模量均为 200 GPa，但钢比碳纤维重五倍。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。

碳纤维比铝更强吗？

是的，碳纤维比铝坚固得多。铝的抗拉强度可达570 MPa，而超高模量碳纤维的抗拉强度可达到5.5 GPa以上。

碳纤维和碳纤维3D长丝有什么区别？

传统碳纤维和3D打印碳纤维都增加了强度并且重量轻，但应用方法却有很大不同。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 打印碳纤维要么被切成微丝并添加到长丝中，然后被打印成通常具有复杂几何形状的部件，要么被打印为 3D 打印部件的离散层中的单个连续丝。

凯特·德·纳乌姆

Kat de Naoum 是一位来自英国的作家、作家、编辑和内容专家，拥有 20 多年的写作经验。 Kat 拥有为各种制造和技术组织写作的经验，并且热爱工程领域。除了写作之外，Kat 还担任了近 10 年的律师助理，其中 7 年从事船舶融资工作。她为许多出版物撰写文章，包括印刷版和在线版。 Kat 拥有金斯顿大学英国文学和哲学学士学位以及创意写作硕士学位。

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