一文解析为何碳纤维复合材料能够在工业应用中替代传统的金属材料？

碳纤维的出现可以追溯到1963年，当时的碳纤维非常昂贵，仅用于军用航空和航天器的制造。但是，碳纤维的轻量化特性使其逐渐取代了金属结构部件，从而实现了更快的发展。

1970年代末，一级方程式车队对碳纤维复合材料产生了浓厚的兴趣。随后迈凯轮（McLaren）首次使用了碳纤维复合材料，1981年制造的MP4/1–先锋一级方程式赛车由碳纤维复合材料制成（总重585千克/1289磅）。如今，几乎每辆一级方程式赛车都是用碳纤维制成的。

迈凯轮也是使用碳纤维制造公共道路用汽车的先驱。1994年，迈凯轮推出了一款以一级方程式命名的赛车——迈凯轮F1。这辆车的车身重约100公斤，是2005年以前最快的汽车。
      随后，迈凯轮F1（388.5公里/小时/241英里/小时）创造的纪录被另一辆由碳纤维复合材料制成的汽车——科尼赛克CCR（Koen igsegg CCR）打破，最终CCXR型汽车达到了395公里/小时速度。
      随着时间的推移，碳纤维在赛车和摩托车车身、自行车车架、滑雪板、网球拍、钓鱼杆、游艇桅杆等生产中无处不在。
      在诸如汽车等工业应用中，碳纤维复合材料之所以能够替代传统金属材料，主要取决于以下几项优异特性：
      低密度、轻质
      碳纤维复合材料具有低密度、低质量的特点。碳纤维复合材料的密度为1.55克/立方厘米（按环氧树脂30%，碳纤维70%计算），相比之下铝的密度为2.7克/立方厘米，钛为4.5克/立方厘米，钢为7.9克/立方厘米。
      关于材料的重量，它在实际中是什么意思？例如，按照同样尺寸结构材料考虑一个1×1米厚、1厘米（10毫米）厚的薄板，根据材料的不同，该板材的质量如下：
      碳纤维复合材料构件重量15.5千克；
      铝构件重量27千克；
      钛构件重量45千克；
      钢构件重量79千克。

换言之，碳纤维复合材料的重量将比铝的重量轻42％，比钛的轻3倍，比钢的轻5倍。

高刚度
      碳纤维复合材料具有高刚性。采用标准织物和0/90编织工艺，并通过预浸料技术制备的碳纤维复合材料刚度为90.5吉帕（杨氏模量），而铝则为69吉帕。此外，碳纤维复合材料比相同厚度的铝材料轻42%，以上计算是指相同厚度的组件。
      如果将重量放在首位，并且设计工程师不得超过1千克的重量限制，则由标准织物（斜纹布）制成的碳纤维复合材料将提供比铝和钢高2倍的刚度，并且在使用时，如果是单向织物，则几乎高4~5倍。
      碳纤维复合材料的高刚度和低密度的特定，加工相同重量的产品，可以更厚。例如，对于1.5毫米厚的钢元件，由铝制成的同一零件的厚度为4毫米，而由碳纤维制成的零件的厚度为7毫米。简单地说，材料厚度增加2倍，而刚度大约是原来的8倍。这为通过使用碳纤维减轻重量提供了许多机会。
      低热膨胀
      碳纤维复合材料的热膨胀系数（CTE）很低。碳纤维在20℃下的线性热膨胀系数为2（10??/°C）。相同温度20℃下其他结构材料对比如下：
      ▲  钛金属 8（10??/°C）；
      ▲  钢11（10??/°C）；
      ▲  不锈钢为17（10??/°C）；
      ▲  铝23（10??/°C）。
      换句话说，碳纤维复合材料的热膨胀比钛低4倍，比钢低5.5倍，比不锈钢低8.5倍，比铝低11.5倍。

各向异性
      与金属不同，碳纤维复合材料是各向异性材料。因此，复合材料的刚度等性能取决于纤维的取向。就金属而言，无论取向如何，这些特性始终是相同的，这些材料被称为各向同性材料。这是碳纤维复合材料和金属之间的一个显著区别。
      碳纤维复合材料与木材相似，其强度和刚度取决于纹理和环形图案。在碳纤维结构件生产时，要决定碳纤维的取向和织物的类型。例如，有单向织物（UD）、双向织物（如平纹或斜纹）以及由某些不同方向的UD织物制成的织物，例如双轴、三轴。
      这种生产工艺能够实现最佳的复合，即确保更多的织物承受高负荷，而在负荷有限的地方减少织物。此外，除了控制织物的数量和单元的厚度外，该工艺还确保了在实际生产中根据实际载荷对织物取向的控制。因此，与金属制成的结构件相比，可以显著减轻元素的重量。