碳纖維是一種非常堅固的聚合物材料，它具有高剛度、高拉伸強度、重量輕、高耐化學性、耐高溫性和低熱膨脹性等優(yōu)點。

碳纖維的強度是鋼的五倍，硬度則是鋼的兩倍。盡管碳纖維比鋼更堅固堅硬，但它比鋼更輕，使其成為許多零件的理想制造材料。碳纖維通常與其他材料結(jié)合形成復合材料。

在本系列文章中將會簡要介紹碳纖維的幾種常見的屬性（如密度、拉伸性能、硬度、熔融溫度等）及其計算方法，本文首先介紹了纖維密度和拉伸性能。

碳纖維密度

密度定義為每單位體積的質(zhì)量，在數(shù)學上定義為質(zhì)量除以體積。換句話說，一種物質(zhì)的密度（ρ）是該物質(zhì)的總質(zhì)量（m）除以該物質(zhì)所占的總體積（V）。國際單位制的標準單位為千克/立方米（kg/m3），而標準英制單位為磅質(zhì)量/立方英尺（lbm/ft3），碳纖維的密度約為2000 kg/m3。

相關計算示例：根據(jù)上述密度公式，來計算一個重量為1噸的碳纖維立方體的高度。由于密度為每單位體積的質(zhì)量，計算時質(zhì)量除以體積：ρ=m/V。

在計算立方體高度時，由于立方體的體積是其邊長的三次方（V=a3），因此按照如下公式可以計算出該立方體的高度a為0.793 m。

碳纖維強度

在材料力學中，材料的強度是指其在承受施加載荷而不發(fā)生破壞或塑性變形的能力。材料的強度基本上考慮了施加在材料上的外部載荷與由此產(chǎn)生的材料尺寸變形或變化之間的關系。在設計結(jié)構(gòu)時，考慮這些因素是很重要的，以便所選材料具有足夠的強度來抵抗施加的載荷或力，并保持其原始形狀。

對于拉伸應力，材料或結(jié)構(gòu)承受傾向于伸長的載荷的能力被稱為極限拉伸強度（UTS）。屈服強度或屈服應力是材料特性，定義為材料開始塑性變形的應力，而屈服點是非線性（彈性+塑性）變形開始的點。

在均勻桿的拉伸應力（應力-應變曲線）的情況下，胡克定律描述了桿在彈性區(qū)域的行為。楊氏彈性模量是在單軸變形的線彈性狀態(tài)下拉伸和壓縮應力的彈性模量，通常通過拉伸試驗進行評估。

碳纖維(4000MPa)與其他元素組成材料拉伸強度對比

碳纖維(500GPa)與其他元素組成材料的拉伸模量對比

典型的強度計算實例：應力（σ）可以等于每單位面積的載荷或垂直于力的每橫截面積（A）施加的力（F），如下所示：

假設一根棒是由碳纖維制成的，該棒的橫截面積為1cm2，計算該材料達到極限抗拉強度（UTS=4000?MPa）所需的拉力，因此，達到極限拉伸強度所需的拉力為F=UTS x A=4000 x 106 x 0.0001=400 000 N。（來源：碳纖維及其復合材料技術）

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