碳纖維管成為了工業(yè)輕量化發(fā)展的一種新選擇，憑借低于金屬鋁的密度和遠超鋼材的強度而聞名。碳纖維管的強度有多高？這種高強度又源于什么呢？智上新材料帶你了解其中的知識。
 
碳纖維管的高強度性能源自哪里？
 
    碳纖維管的強度到底有多高？
 
    碳纖維管由碳纖維復合材料制備而成，而碳纖維復合材料的高強度繼承于碳纖維本身。據數據現實，碳纖維的拉伸強度約為2~7GPa，而拉伸模量約為200~700GPa，另外碳纖維的密度大約在1.5~2g/cm3左右，計算下來，碳纖維的比強度是金屬鐵的20倍。
 
    不過碳纖維無法單獨應用，因此制成碳纖維復合材料這樣的中間體材料，拿最為常用的環(huán)氧樹脂碳纖維復合材料來說明。它的抗拉強度在3500MPa以上，是鋼材的7~9倍，抗拉彈性模量約為230~430GPa，同樣遠高于鋼材。計算下來，碳纖維復合材料的比強度在2000MPa以上，而鋼材的比強度只有59MPa左右，差距非常明顯。
 
    碳纖維管的高強度源于什么？
 
    通過觀察碳纖維材料的微觀結構，科學家發(fā)現現狀類似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維各層面間的間距約為3.39~3.42a，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。
 
    這種結構可以看成是兩維有序的結晶和空洞組成，其中空洞的含量、大小和分布對碳纖維自身性能的影響很大，這也是為什么同樣是碳纖維，不同品級之間的性能也有較大的差距。
 
    碳纖維與樹脂基體融合而成的碳纖維復合材料中，碳纖維原絲的占比和分布對于整體性能的影響同樣非常大，可以用孔隙率碳纖維復合材料的結構是否穩(wěn)定。
 
碳纖維管的高強度性能源自哪里？
 
    研究表明，當孔隙率低于某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復合材料層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度幾乎沒有影響，這個臨界值的范圍為1%~4%。同樣以環(huán)氧樹脂碳纖維復合材料距離，當孔隙率超過0.9%時，整體性能就已經開始大幅下降了。
 
    碳纖維管是碳纖維復合材料制成的常用產品，強度性能依賴于碳纖維穩(wěn)定的物理結構，也依賴于碳纖維與樹脂基體之間融合的程度（即孔隙率低于臨界值），另外碳纖維管的制備技術和經驗同樣影響到最終的性能優(yōu)劣。