Наиболее ценными характеристиками углеродного волокна являются его прочность, жесткость и легкий вес. Углеродное волокно состоит из очень тонких кристаллических углеродных нитей, собранных в «пучки», которые содержат тысячи отдельных нитей. Эти нити, похожие на пряжу, сплетаются в ткань различного переплетения. Когда слои ткани из углеродного волокна соединяются вместе в пластину или лист из углеродного волокна, ламинат из углеродного волокна становится чрезвычайно прочным. Так насколько он силен?
Прочность углеродного волокна
Углеродное волокно в два раза жестче и в пять раз прочнее стали. Хотя углеродное волокно прочнее и жестче нержавеющей стали, оно легче, что делает его идеальным производственным материалом.
Классификация жесткости и прочности углеродного волокна
Модуль растяжения определяется как «отношение напряжения (силы на единицу площади) вдоль оси к деформации (отношению деформации по начальной длине) вдоль этой оси». Модуль упругости, также известный как жесткость, позволяет прогнозировать удлинение или сжатие материала, если напряжение ниже, чем предел прочности материала.
Углеродные волокна классифицируются на основе модуля упругости волокон. Английская единица измерения — фунты силы на квадратный дюйм площади поперечного сечения, сокращенно psi (или ksi для тысячи фунтов на квадратный дюйм и MSI для миллиона фунтов на квадратный дюйм). Существует пять классификаций углеродных волокон: низкомодульные, стандартные, среднемодульные, высокомодульные и сверхвысокомодульные.
| Класс углеродного волокна | Низкий модуль | Стандартный модуль | Промежуточный модуль | Высокий модуль | Сверхвысокий модуль |
| Модуль упругости ГПа | <227 | 227 | 289 | 393 | 758 |
| Модуль упругости MSI | <33 | 33 | 42 | 57 | 110 |
Жесткость и прочность ламинированного листа или пластины из эпоксидной смолы из углеродного волокна определяются:
Свойства материала из углеродного волокна
График укладки волокон (ориентация волокон, тип переплетения и толщина слоев ламината)
Соотношение волокно/смола
Хорошей оценкой модуля упругости для сбалансированного, симметричного графика укладки 0/90 градусов будет 10 MSi (70 GPA). Хорошей оценкой прочности на разрыв для той же укладки будет 87 KSI (600 МПа).
Для сравнения, сталь имеет модуль упругости около 29 MSI (200 ГПа) и предел прочности 61 KSI (420 МПа). Модуль упругости алюминия составляет около 10 MSI (69 ГПа), а предел прочности — 40 KSI (276 МПа).
Как видно из таблицы ниже, ламинат из углеродного волокна имеет самую высокую удельную прочность на разрыв и самую высокую удельную жесткость.
| Материал | Модуль упругости ГПа | Предел прочности МПа | Плотность г/см3 | Удельная прочность на разрыв Па м3/кг |
Удельный модуль растяжения МПа м3/кг |
| Алюминий | 69 | 276 | 2.7 | 102 | 25.5 |
| Сталь | 200 | 420 | 7.9 | 53 | 25.3 |
| Ламинат из углеродного волокна | 70 | 600 | 1.5 | 400 | 46.7 |
Углеродные волокна со сверхвысоким модулем примерно в 3 раза жестче, чем стандартные, но не такие прочные. Кроме того, углеродное волокно обладает превосходными свойствами усталостной прочности по сравнению со сталью и алюминием. Кроме того, в сочетании с соответствующими смолами углеродные волокна являются одними из наиболее устойчивых к коррозии материалов на рынке.
