如今碳纤维已经广泛应用于要求相对于重量具有高强度和高刚度的领域，这些领域主要包括航空航天、自动化机器、赛车、专业自行车、康复设备等。由于其独特的设计，碳纤维还被用于制造包括手表、钱包等在内的奢侈品。

对比碳纤维与钢或铝等金属材料的性能并不容易。与碳纤维不同，金属通常是均匀的（各向同性），这确保了在各个方向上的相同特性。碳纤维部件的强度和刚度是通过以特定方式定位纤维或织物来产生的。

在本系列文章中将会针对碳纤维与铝等金属一系列重要属性如比强度、比刚度、热膨胀、热传导、长期使用等进行了对比。本文中将首先介绍与材料重量相关的强度和刚度。

与重量相关的材料强度和刚度

为了解释与重量相关的刚度，我们以一张 5 厘米宽、50 厘米长和 2 毫米厚的薄板为例，将 5kg 的重物悬挂在板材的末端时，载荷会导致薄板弯曲，弯曲的程度则与刚度相对应。

对于不同的材料，相同厚度的板材会表现出不同的弯曲性能。材料越硬，弯曲就越少。去除负载后，板材将恢复其原始形状。

现在想象一下，如果将条状材料暴露在很高的载荷下，这会导致材料发生屈服，在释放负载后，材料会恢复其原始形状。材料的强度越高，在永久屈服之前承受的载荷就越大。

除了上述强度和刚度，设计工程师关注的另一个关键属性是材料的重量，它由密度决定。

材料刚度用杨氏模量表示。但是，在不考虑给定材料的重量的情况下，仅此参数不足以说明材料刚度。例如，在自行车车架（尺寸、几何形状、壁厚）由两种不同的金属（钢和铝）制成的情况下，钢架的刚度将是铝架的 3 倍。但是，如果考虑到材料的重量，那么钢架虽然比铝架的刚度高 3 倍，但也会重 3 倍。

当然，上述这些数字只是近似值，因为在实践中，工程师会设计所选材料的几何形状，例如在铝制自行车车架的情况下，通常会增加车架直径以及壁厚。对于自行车车架，刚度和强度与几何形状和壁厚直接相关（壁厚增加 2倍可使刚度提高约 8 倍）。因此，刚度与重量的关系（即比模量）实际上是确定材料刚度的最有效方法，对于大多数工程师来说，刚度和重量都是最关键的参数。

碳纤维是一种在低密度下提供高刚度和高强度的材料，因为它比铝和钢轻很多。按重量计算，碳纤维的刚性（取决于所使用的纤维）比铝和钢高2 到 5 倍。对于仅沿一个平面受压的特定部件，由单向碳纤维制成，其刚度将是钢或铝（相同重量）的5-10 倍。

下表比较了相同重量的不同材料的刚度和抗损坏性。出于分析的目的，使用了双向碳纤维，这是一种最常用的复合材料，另一种是偶尔单向碳纤维，主要用于仅沿一个平面产生应力的产品。

金属与双向碳纤维比模量、比强度对比

金属与双向碳纤维比模量、比强度对比

上述碳纤维板材数据涉及使用环氧树脂灌注技术（碳纤维与树脂的比例为 70/30%）制成的样品。其数据显示了碳纤维的优势，改进和最高模量的特殊材料（非常昂贵）其刚度特性是标准碳纤维的 2 倍或 3 倍，它们主要用于军事应用和航空航天工业。

为了解释表中显示的结果，假设工程师要制造一块最大重量为10公斤、面积为1平方米、高强度、重量轻的碳纤维板，并且考虑铝、钢和碳纤维。

在10 公斤的重量限制下，工程师可以选择：

钢板厚约1.5毫米

铝板约4 毫米厚

碳纤维板约7 毫米厚

碳纤维在较低密度下可提供更大的刚度，因此相同重量的产品可能更厚，简而言之，材料厚度增加 2倍可提供 23 倍的刚度。由于使用碳纤维，为减轻重量提供了许多机会。