提示：文中列举了多项碳纤维复合材料产品。
Element 6 Composites 专注于碳纤维的设计、分析、原型制作和制造。我们是碳纤维复合材料及其他高性能材料的专家。本指南将引导您了解碳纤维设计和应用所需的一切知识。
什么是碳纤维？
碳纤维由直径为 5 到 10 微米的纤维束组成，这些纤维束由长而紧密互锁的碳原子链构成，具有微观晶体结构。这些纤维极其坚硬、强韧且轻质，被用于许多工艺中来制造高性能建筑材料。碳纤维增强材料有多种编织物、编织带以及其他形式，如丝束和单向带。这些材料与各种树脂结合，可生产出各种形状和纤维图案的碳纤维增强复合材料。
为何选择碳纤维而非其他材料？
原因 1：强度
考虑使用碳纤维的主要原因是其高比刚度。碳纤维非常坚固，非常坚硬，并且相对较轻。
材料的刚度通过其弹性模量来衡量。碳纤维的模量通常为 34 MSI (234 GPa)。碳纤维的极限抗拉强度通常为 600-700 KSI (4-4.8 GPa)。将其与 2024-T3 铝合金进行比较，后者的模量仅为 10 MSI，极限抗拉强度为 65 KSI；或者与 4130 钢比较，其模量为 30 MSI，极限抗拉强度为 125 KSI。
由于材料和工艺的改进，高模量、超高模量碳纤维或高强度碳纤维也已问世。复合碳纤维部件是碳纤维和树脂（通常是环氧树脂）的组合。碳纤维复合材料部件的强度和刚度将是纤维和树脂两者强度和刚度组合的结果。复合材料部件局部强度和刚度的大小和方向由层压板中的局部纤维密度和取向控制。
在工程中，通常通过强度重量比（比强度）和刚度重量比（比刚度）来量化结构材料的优势，特别是在减轻重量与提高性能或降低生命周期成本相关的情况下。
由标准模量平纹碳纤维以平衡对称的 0/90 铺层制成的碳纤维板，其弹性弯曲模量约为 10 MSI。其体积密度约为 0.050 lb/in³。因此，该材料的比刚度（刚度重量比）为 200 MSI。该板的强度约为 90 KSI，因此该材料的比强度为 1800 KSI。
相比之下，6061 铝合金的弯曲模量为 10 MSI，强度为 35 KSI，体积密度为 0.10 lb/in³。这得出比刚度为 100 MSI，比强度为 350 KSI。4130 钢的刚度为 30 MSI，强度为 125 KSI，密度为 0.3 lb/in³。这得出比刚度为 100 MSI，比强度为 417 KSI。如下表所示。
因此，即使是基本的平纹编织碳纤维面板，其比刚度也是铝或钢的 2 倍。其比强度是铝的 5 倍，是钢的 4 倍以上。
当我们考虑通过战略性纤维铺放来定制碳纤维面板刚度，并考虑到使用轻质芯材的夹层结构可能带来的刚度显著增加时，碳纤维复合材料在广泛应用中的优势显而易见。具体数值取决于构造细节和应用。例如，泡沫芯夹层结构在弯曲时具有极高的强度重量比，但在压缩或压溃时则不一定。此外，任何部件的载荷和边界条件对于刚度结构都是独特的。因此，如果不仔细考虑所有设计因素，就不可能提供在给定应用中直接替代钢板的碳纤维板的厚度。这需要通过仔细的工程分析和实验验证来完成。
碳纤维设计灵活性的一个例子是沿特定轴定制刚度的梁的定制设计。Element 6 Composites 已开发出专利待审的方法，用于制造沿各弯曲轴具有最佳刚度的碳纤维管。此类管材在抗弯曲性方面类似于工字梁，同时保留了管材的高抗扭刚度。
原因 2：低热膨胀性
选择碳纤维的一个重要好处是其随温度变化的尺寸稳定性。碳纤维的热膨胀系数低于每华氏度百万分之一英寸/英寸，而钢为每华氏度百万分之七英寸/英寸，铝为每华氏度百万分之十三英寸/英寸。
原因 3：各向异性特性
在设计复合材料部件时，不能简单地比较碳纤维与钢、铝或塑料的性能。这些材料是均质的（所有点的性能都相同）和各向同性的（沿所有轴的性能都相同）。相比之下，碳纤维部件既不是均质的，也不是各向同性的。在碳纤维部件中，强度沿着纤维轴存在，因此纤维密度和取向极大地影响机械性能。这提供了沿任何轴定制部件机械性能的能力。
碳纤维工程应用
碳纤维设计
碳纤维设计过程始于对每位客户需求的透彻理解，并生成正式的产品规格。基于这些技术要求以及产量和成本考虑，产品开发和工艺开发同时进行。在大多数情况下，碳纤维设计过程涉及 CAD 设计、分析和计算分析以及成本估算之间的大量迭代。不同的定制碳纤维设计项目根据客户和应用的不同，在这些领域需要不同的侧重点。
我们的工程师、设计师和技术人员团队在产品开发、研究和发明方面拥有数十年的经验。Element 6 Composites 将创造力与精密工程相结合，致力于帮助客户开发实用而优雅的解决方案，无论是单个原型还是数千个零件的生产批次。
碳纤维分析
我们当前的计算工具包括用于复合材料有限元应力分析的 NeiNastran。我们的 FEA 经验范围广泛，从先进的碳纤维桁架结构到假肢，再到风力涡轮机和无人驾驶飞行器，应用领域多样。
除了我们内部的专业知识外，我们还与相关专家保持关系，以便在遇到不寻常或特别具有挑战性的分析时获得支持。一个例子是我们获得的 NYSTAR 资助，这使我们有机会与康奈尔大学合作测试我们的碳纤维材料。这为模型修正和内部设计数据库提供了极好的数据。
碳纤维原型制作
原型制作是设计过程不可或缺的一部分。在 Element 6 Composites，我们的碳纤维原型团队由经验丰富的工程师和技艺精湛的工匠组成。碳纤维原型制作的范围可以从简单的测试件到功能齐全、接近生产就绪的组件。通常，单个部件和子组件会经过大量测试，以验证设计计算并向客户保证最终产品将满足所有规格。
除了用于评估功能性之外，我们高质量的碳纤维原型也常被客户用作营销工具。即使在产品开发的早期阶段，我们的原型团队也致力于在生产级别的质量和功能形式方面达到目标。
碳纤维制造
我们采用的工艺需要高水平的制造技能。我们训练有素、经验丰富的工匠精通各种碳纤维材料、制造工艺和技术，以确保无与伦比的质量。我们的目标始终是零缺陷，团队成员都积极致力于实现这一目标。
Element 6 Composites 的员工精通多种定制碳纤维工艺，包括湿法铺层、真空袋压、对模成型、真空辅助树脂传递成型 (VARTM)、拉挤成型以及其他非传统的专利方法。作为纽约领先的碳纤维产品制造商，服务于各种应用领域，我们还拥有多年使用 CNC 加工碳纤维、芳纶和其他纤维增强复合材料的经验。由于碳纤维复合材料的导电性、刚度和脆性行为，加工这些零件需要特殊的工具和通常是非传统的技术。
复合材料的一个优势是能够制造强度、刚度和设计简洁性均得到优化的零件。从简单到复杂，我们使用先进的碳纤维制造技术来创造卓越的成果。为了实现这一目标，我们运用我们的三个核心优势：创新、技术和创造力。
碳纤维的用途与应用
碳纤维桁架与梁
碳纤维复合材料为轻质桁架和框架结构的建造提供了替代传统材料（如钢或铝）的选择。Element 6 Composites 开发了三种设计和制造碳纤维管状结构的系统：两种针对高强度、坚固性和定制化进行了优化，一种针对减轻重量和降低成本进行了优化。
1. 方形碳纤维管和角撑板
第一个高强度、坚固的建筑系统使用矩形和方形管以及连接它们的角撑板。管材尺寸小至 ，大至 甚至更大。除了整体尺寸外，壁厚、角撑板几何形状和铺层方案都可以根据每个应用的需求进行定制。例如，可以向单个构件添加单向碳纤维以增加弯曲/轴向刚度和强度。同样，可以调整角撑板的厚度和几何形状，以确保通过接头进行适当的载荷传递。NeilNastran 复合材料 FEA 计算可用于优化结构，在满足指定强度和刚度要求的同时实现最小重量。
2. 模块化连接器和卷绕碳纤维
DragonPlate 现在提供全系列的专利模块化碳纤维管连接器，使得使用卷绕碳纤维管构建坚固、稳健的结构变得非常容易。模块化连接器通常粘合在管端内部，并通过螺栓相互连接。多个管可以用一个螺栓连接，该螺栓可以轻松拆卸以便快速拆卸，并在以后重新安装。简单的销轴连接允许无限种连接角度选择。管可以连接到板或其他安装支架上。带有端部螺纹的模块化连接器可以轻松连接硬件、传感器、相机等。该连接器通过专利的接头设计轻松粘合到管内，非常坚固。
3. 拉挤圆管和连接器管
另一种轻质且经济高效的碳纤维构建方法利用了我们专利的连接器和拉挤碳纤维圆管。该系统为结构设计师提供了极大的灵活性，具有无限的长度和角度组合，以及大量的连接组件。此外，构建此类结构所需的技能非常容易掌握。Element 6 Composites 专门从事设计和制造；然而，在我们共同完成设计和原型开发阶段后，许多客户都具备内部能力来组装最终的碳纤维桁架结构。
碳纤维结构梁
从机器人到承重结构的许多应用都需要定制的碳纤维结构梁。Element 6 Composites 专门为广泛的行业和用户设计和制造定制的碳纤维结构梁。尽管这些梁通常比类似的金属部件更昂贵，但通过先进复合材料实现的显著减重往往超过了这项前期投资。
碳纤维桁架应用
轻质碳纤维桁架和梁的应用是无穷无尽的。一些例子包括机器人结构和末端执行器、高速或便携式应用中悬臂梁的替代品、科学和计量应用，以及无人驾驶车辆框架。如果应用要求最小重量，同时又需要高刚度和高强度，那么碳纤维桁架或梁可能是一个值得研究的解决方案。
碳纤维战术桥梁和梯子
在先进的战术碳纤维梯子和桥梁的建造中，碳纤维复合材料比传统材料具有显著优势。Element 6 Composites 与军方和执法部门合作，开发了各种专利的轻质战术碳纤维梯子、平台和桥梁，范围从极轻型的梯子到重型分段式梯子/桥梁。
碳纤维在乐器中的应用
除了工业和军事应用，Element 6 Composites 的人员还对碳纤维复合材料在音乐和声共振领域的应用抱有浓厚兴趣。Element 6 有幸与一些杰出的乐器制造者和研究人员合作，从而开发了许多用于碳纤维弦乐器制造的独特应用。
无人驾驶车辆
Element 6 Composites 已与多家公司合作，帮助开发和制造各种无人地面和空中车辆。结合在复合材料、结构设计和空气动力学方面数十年的经验，Element 6 Composites 为客户提供基础构型设计与分析、部件优化、原型制作和生产制造方面的支持。我们拥有从军用地面机器人到轻于空气的飞行器，再到固定翼和垂直起降碳纤维无人机的项目历史，我们拥有支持您项目所需的专业知识和设施。以下是 Element 6 Composites 帮助设计和/或生产的无人驾驶车辆和部件的一些示例。
自动化与机器人
将工业自动化融入其制造过程的设施不断通过提高速度和精度来努力提高效率。通常，实现这些目标最直接的方法是减轻机器人，特别是机器人末端执行器的重量并增加其刚度。轻质末端执行器直接转化为生产线上速度的提高、精度的提高、电机和执行器负载的减少以及可靠性的改善。
为何需要 Element 6 工程师协助您的设计？
偶尔有潜在客户打电话问我们：”你能用碳纤维复制这个钢部件吗？” 答案通常是：”这可能不是个好主意。” 在大多数情况下，拿一个为金属设计的部件，仅仅用碳纤维替换金属，并没有太大意义。您需要为碳纤维进行设计，原因有很多。钢和碳纤维的材料特性截然不同。它们通过截然不同的工艺进行加工和制造。您需要为碳纤维设计部件，以利用其独特性能。
一个特别的原因是，碳纤维部件通常是薄壁壳结构，因为凭借碳纤维的高强度，您不需要厚壁。对于金属，您可以从一块坯料开始，通过机加工去除材料，直到剩下您的零件。对于复合材料，您通常从一个模具开始，并在正确的位置和方向上铺设选定的纤维，直到满足强度和刚度要求。
复合材料部件通常需要由精通该行业的工程师进行一些思考和分析。需要分析力将施加在部件的何处并进行规划。需要规划纤维应放置在何处以及方向如何。通常，您需要同时设计部件及其具体的制造工艺。