碳纤维在结构设计中的应用

如果你上网查“碳纤维的应用”，千篇一律的给你写，轻呀，结实呀，漂亮呀等等，所以我不讲这些废话，咱也别讲英文呀，缩写之类没营养的玩意，写写我们在设计一款产品中，结构上碰上的问题。

对于一些高级产品的设计，碳纤维的使用，实在太有用了，这也算是这个项目中，我们学到最有用的知识点。

我要讲几个事：

1，强度

2，对比钢

4，胶水

5，加工

以前，不知道从哪个笨蛋那听来，钢筋混凝土为什么结实，因为钢筋抗拉，水泥抗压，这就纯粹胡说八道。

最主要原因是混凝土的成本低，这才是根本，钢筋混凝土永远比不上铜墙铁壁，拿个方钢砸你们家墙试试，一定是墙坏。

因为，钢是各向同性材料。

而碳纤维板，是各向异性材料。钓鱼线，你拉不断，想打成卷，太容易了，这就叫不同方向，性能不同，它抗拉不抗弯。“各向异性”是这么个意思。

碳纤维丝，就是这么个东西。

碳纤维板是什么呢，就是钢筋混凝土，纤维丝，你把它当成钢筋，混凝土，它换成了树脂，这个词叫“预侵料”。

如果没有混凝土，所有强度，都只能计算钢筋的抗拉强度，由于掺杂了混凝土，比如一半钢筋，一半混凝土，当然抗拉，只有纯钢筋的一半。（这句话不太严谨，应该还有混凝土的强度）

所以，纤维板的抗拉，必然不如纤维丝。但仍然远远高于树脂。

不锈钢的屈服强度是200Mpa，铁的屈服强度是235Mpa，纤维丝有多少？

没有屈服强度，这又是前面的各向同性，各向异性材料的概念，只有各向同性材料，才有屈服强度，纤维是只有抗拉强度，没有屈服，但如果单纯考虑抗拉，咱可以把金属的屈服，当作抗拉，纤维丝的抗拉强度达到4500Mpa，是钢的20倍。（咱先不考虑品牌呀，规格什么的）你只要记住从抗拉这点上看，纤维丝巨牛无比。

碳纤维板，由于添加了树脂（掺糖兑水的意思），抗拉强度大幅下降，但仍然能很轻易的达到钢铁的10倍。

但密度，只有钢的1/5,铝的一半（方便你记忆，这只是个约数，根据树脂的百分比，这还不一样）

知道它好在哪了？

然后咱再说糟点，抗弯

因为它只是鱼线，几乎没有什么所谓的抗弯，别的行家跟我讲，我们甚至可以只看树脂的抗弯，而完全忽略碳纤维的抗弯，树脂的抗弯有多少？它只有钢的1/3。

明白要点了吗？

假设你要应用碳纤维材料去制作什么什么产品，必须要把它的抗拉性能应用进去，因为如果你不使用它的抗拉性能，就像有人用固态硬盘当作存储器，而不用于C盘一样暴殄天物。

为什么要说胶水，因为这是个很容易忽略的地方。

查来环氧树脂结构胶很适合碳纤维，我们做技术的，不能光看它“适合不适合某某材料”这种空洞的描述。

要看参数，我们看了各种胶，能达到30Mpa剪切的已经很了不起了，30Mpa，纤维丝是4500Mpa，如果用胶水，就等于把4500Mpa，人为的降低到30，降低到铁的1/8，所以能用胶水吗？

当你做产品的时候，主要使用的，就是碳纤维的抗拉强度，那你用胶水去固定就是非常250的操作。

内裂，这是从同行那听来，让我脑筋跳起多高、心惊肉跳的拍桌子（我们设计都做完了，几万的成本都预算出去了，竟然还有这种事，所有沉孔都不能搞了，岂不是设计完蛋了）

沉孔，等于将纤维丝的一部分切断，沉入的部分，刚好是纤维丝断开的地方，做沉孔就非常危险。

经过大量的调查，内裂这个问题，假设纤维丝的方向一直，开孔在一排循序排列纤维丝中，这种内裂是合理的，但现在工艺上，纤维丝都是交错排列，横，竖，横，竖，这种垂直交错式的，（这也是为什么很多碳板的表面，自带方格自带纹理的表现）

更有优化的，横竖以外，还有增加45°斜切，或者多角度覆盖的，在知乎上有篇实验的介绍，是增加这种斜切方向，一定程度上，还能增加其抗弯能力。（仍然不高哈）

打螺纹，不成。

因为螺纹是靠螺牙，来吃强度的，碳纤维板是由一层又一层的碳布贴合而成，螺纹牙刚好等于去撕裂多层碳布很有效的工具，这是最和稀泥的玩意，腥了一锅汤的主要臭鱼。

也就是说，用碳纤维板，如果想充分利用它的性能，你只能打通孔。不能用螺纹

“碳板的物性表”，没有这种东西。

严格说，也不能算没有，供应商可以提供从0.5mm-100mm的各种厚度，他不可能去检测这么多厚度的板子，做个实验可不便宜。所以厂家，只提供碳纤维丝的物性表，树脂的物性表，而碳板的物性表，厚度问题，树脂混合百分比问题，这几乎是个无数解的结果，想要，得有大笔的钱，才做得起的实验。换句话说，碳板只能靠“试！”，或者经验。

最后，加工

碳纤维板不能用金属刀，而要用玉米刀，无数小锯齿构成的铣刀，有点像磨碎的意思。

我们的应用：

我们的产品，是一个桌面，如果是普通桌子，你用碳纤维板非常合理，因为四角是固定的，你用钉子，螺丝把碳板固定在四条腿上，当桌面承载，四角固定，就给碳板一个“拉”的趋势。所以使用碳板，非常合理。

但我们的桌子，是一款悬臂梁，假设我们用碳板来当做桌面，只有两个角可以固定，另外两个脚完全悬浮，几乎等于我们用树脂做了桌面。

用碳板，一丝好处都没有，它的抗弯强度远远不如镀锌管（你知道不？201的强度是要大于304的）

所以我们用方管来抗弯，但是既然是一款桌面，当然不能仅仅靠方管，如果这个面，用1mm钢板，重量高达16公斤，如果用碳板，我只要2公斤，因为方管已经承载了所有弯曲强度，我的桌面，用碳板，就可以充分利用它的抗拉能力。甚至于方管变形，表面长度是要变化的，我又进一步利用了碳板的抗拉强度来增加方管的抗弯性能。

模拟仿真，虽然纤维丝是异向性材料，但是纤维丝的铺设，几乎没有任何供应商是同向铺设的，所以抗拉，无论哪个方向都可以看成最强抗拉的4500Mpa乘以（1-树脂百分比）。如果仅计算抗拉，还是可以按照最大强度去计算。

最后总结一句，我们做产品设计，尤其是做一些非传统行业产品，碳纤维，是个好东西，也是个贵得要命得东西，好归好，咱得会用，一定要把它的抗拉利用上，才能真正发挥它的用处。