碳纤维复合材料为何能够取代传统材料？

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现如今，我们几乎每天都能发现碳纤维的新用途。这些微小的细丝，目前有各种各样的功能形状，它的直径只有人类头发厚度的十分之一。纤维加工成织物，可用于成型后续的成型加工，并形成用于建筑的管材和片材，或作为常规线用于纤维缠绕。
虽然高强度和低重量仍然是推动复合材料进入新市场的制胜配方，但其他特性也同样至关重要。复合材料具有较低的热膨胀系数（coefficients of thermal expansion，CTE）和良好的振动阻尼，这两者都可以设计用于特定应用。由于耐疲劳性和设计/制造灵活性，复合材料可以显著减少特定应用所需的零件数量。这可让成品使用更少的原材料，更少的接头和紧固件，组装时间更短。
此外，复合材料已被证明具有优异的耐极端温度、耐腐蚀和耐磨损，特别是在工业环境中，这些环境因素会显著降低产品寿命成本。由于这些特性，复合材料现在获得了广泛使用。在几乎所有的交通工具中，从自行车到大型商用飞机，轻量化已经成为首要目标，这是由于面对不断上涨的油价对燃油经济性的需求。
复合材料通常是以金属、陶瓷和聚合物为基体，为了提高材料的机械性能和热性能，通常在基体中加入一些更坚硬、更强的元素作为增强剂。大多数复合材料的主要增强和承重材料是碳纤维。

长期以来，人们一直认为碳纤维复合材料在高强度结构应用中可能与钢竞争。先进的复合材料，如碳纤维增强聚合物（CFRP）已被用于各种行业，包括航空航天、汽车行业以及体育设备。最常用的碳纤维聚合物基体是环氧树脂，此外还使用热塑性树脂、聚酯、聚砜和聚酰亚胺。通常来说，由碳纤维和塑料聚合物树脂制成的复合材料具有高强度、高模量、持久耐用、价格低廉和重量轻。
复合材料正在取代传统材料，在实际应用时，工程师会发现，复合材料在各个领域都是金属和木材等传统材料的良好替代品，主要是因为：复合材料具有高比强度
CFRP材料具有最佳的强度重量比、耐腐蚀性、刚度和耐久性。由于其低密度和拉伸强度，碳纤维是钢铁等重金属的绝佳替代品，因为它重量轻。热固性树脂的固有耐腐蚀性使CFRP产品比标准金属材料具有更长的产品寿命，因为它们不会生锈或腐蚀。

复合材料的高比强度是其最大的优点。虽然每单位重量碳纤维比这两种材料更坚固和更硬，但它的重量却分别约为钢的25%、铝的70%。多层复合材料层压板比传统单层钢吸收更多的能量，使高端汽车工程师能够在提高碰撞安全性的同时将车辆重量降低60%。
复合材料为新设计提供了可能
复合材料的设计替代方案是传统材料难以达到的。复合材料可以加固物品;一个单一的复合材料部件可以代替整个金属部件的装配。
任何表面处理，从光滑到纹理，都可以通过改变表面纹理来模仿。由于玻璃纤维可以被塑造成各种各样的船只设计，复合材料占休闲船船体的90%以上。这些优势带来的长期节约包括更低的维护成本和更短的生产时间。
复合材料经久耐用
无论在何种条件下，复合材料都不会生锈（尽管它们在与金属部件结合时容易腐蚀）。复合材料比大多数聚合物更坚韧，但比金属更坚韧。
由于其出色的尺寸稳定性，无论热或冷、湿或干，它们可以保持其形状，无论是热的还是冷的，湿的还是干的。因此，它们是室外结构（如风力涡轮机叶片）的首选材料。


与传统材料相比，工程师们更喜欢复合材料而不是传统材料，因为复合材料在维护和提供持续几十年的建筑的长期稳定性方面更具成本效益。
复合材料制造正变得更简单化
过去，工程师们必须通过复杂的铺层程序来制造复合材料，这既耗时又限制了设计几何结构。如今，这已被数字复合材料制造（Digital Composite Manufacturing，DCM）改变了。

一种称为DCM的独特制造方法可以在不需要体力劳动的情况下制造复合材料部件。通过DCM，复合材料可以在本地或全球范围内进行三维定制，以满足项目的理想强度、密度和灵活性。由于DCM，工程师现在可以自由地进行3D打印和高性能复合材料的设计。
通过添加高度石墨化的纤维，碳纤维复合材料具有非常高的导热性。为了更好地去除电子机械中不需要的热量，电子系统中也推荐使用碳纤维增强的复合材料。