CFRP与GFRP:碳纤维还是玻璃纤维?

简短回答。碳纤维(CFRP)比玻璃纤维(GFRP)刚度高得多、重量更轻,但价格高出数倍,而且导电。对大多数结构、电气和防腐用途,玻璃纤维是实用的选择。只有在刚度或重量值得付出成本且导电可以接受时,才选碳纤维。
CFRP圆管
碳纤维管。
GFRP(玻璃纤维) CFRP(碳纤维)
刚度(模量) 典型拉挤型材约 17–30 GPa 高得多;在纤维方向上可接近甚至超过钢
密度 约 1.8–2.0 g/cm³ 约 1.5–1.6 g/cm³
强度 拉伸强度高 拉伸强度非常高
电气性能 绝缘 导电
抗冲击与损伤 更坚韧;能承受冲击 更脆;需要小心
电偶腐蚀 无 可能腐蚀与之接触的金属(铝、钢)
成本 低 高(是玻璃纤维的数倍)

如何选择

  • 需要绝缘、低成本或耐化学性:GFRP。
  • 需要同等重量下的最大刚度:CFRP,或只在需要刚度之处使用碳纤维的混杂方案。
  • 兼顾:混杂拉挤把碳纤维放在外层或翼缘,其余部分用玻璃纤维;请询问制造商可行的方案。

树脂方面的决策请参见FRP树脂指南。纤维基础知识:粗纱、毡材和表面毡。

碳纤维的实用设计要点

  • 电偶腐蚀:在潮湿环境中,碳纤维与铝或钢接触会腐蚀金属;可用玻璃纤维层、绝缘垫圈或密封胶隔离。
  • 导电性:碳纤维导电,所以在要求绝缘的地方不能代替玻璃纤维。
  • 切割:碳粉尘导电且有刺激性;请使用抽风装置和个人防护装备。
  • 成本:碳纤维的价格是玻璃纤维的数倍,因此只在刚度或减重的收益足以回本时使用。
  • 混杂:外层用碳纤维、芯部用玻璃纤维,能以很小的成本获得大部分的刚度提升。

典型应用

  • 刚度重量比很重要的伸缩杆、吊杆和机器人臂(碳纤维);
  • 电气支撑、电缆桥架和走道(玻璃纤维);
  • 海洋及易腐蚀结构(玻璃纤维配合合适的树脂)。

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