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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/220磅，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（Koenigsegg 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： 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1.55g/cm³（按环氧树脂30%，碳纤维70%计算），相比之下铝的密度为2.7g/cm³，钛为4.5g/cm³，钢为7.9g/cm³。 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：
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90.5GPa（杨氏模量），而铝则为69 GPa。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1kg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1.5mm厚的钢元件，由铝制成的同一零件的厚度为4mm，而由碳纤维制成的零件的厚度为7mm。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。 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（10⁻⁶/°C）。相同温度20℃下其他结构材料对比如下： ▲ 钛金属 8（10⁻⁶/°C）； ▲ 钢11（10⁻⁶/°C）； ▲ 不锈钢为17（10⁻⁶/°C）； ▲ 铝23（10⁻⁶/°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。 碳纤维复合材料除了具有纤维取向外，还具有其他特性 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。 |
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