碳纖維強化聚合物

碳纖維強化聚合物又稱碳纖維、碳復合材料 ，或簡稱為碳，是含有碳纖維的極其堅固且輕質的纖維增強塑料。 CFRP 的生產成本可能很高，但通常用于需要高強度重量比和剛度（剛度）的地方，例如航空航天、船舶上層結構、汽車、土木工程、運動器材以及越來越多的消費者和 技術應用。

粘合聚合物通常是熱固性樹脂，例如環氧樹脂，但有時也使用其他熱固性或熱塑性聚合物，例如聚酯、乙烯基酯或尼龍。 最終 CFRP 產品的特性會受到引入到粘合基質（樹脂）中的添加劑類型的影響。 最常見的添加劑是二氧化硅，但也可以使用其他添加劑，例如橡膠和碳納米管。

碳纖維有時被稱為石墨增強聚合物或石墨纖維增強聚合物（GFRP 不太常見，因為它與玻璃（纖維）增強聚合物沖突）。

CFRP 是復合材料。 在這種情況下，復合材料由兩部分組成：基質和增強材料。 在 CFRP 中，增強材料是碳纖維，它提供了強度。 基質通常是聚合物樹脂，例如環氧樹脂，用于將增強材料粘合在一起。 由于 CFRP 由兩種不同的元素組成，因此材料特性取決于這兩種元素。

鋼筋賦予 CFRP 強度和剛度，分別通過應力和彈性模量來衡量。 與鋼和鋁等各向同性材料不同，CFRP 具有定向強度特性。 CFRP的性能取決于碳纖維的布局和碳纖維相對于聚合物的比例。 利用碳纖維和聚合物基體的特性控制復合材料凈彈性模量的兩個不同方程也可以應用于碳纖維增強塑料。 下面的等式，

E c = V m E m + V f E f

適用于纖維在施加載荷方向上取向的復合材料。 E c 是總復合模量，V m 和 V f 分別是矩陣和纖維的體積分數 在復合材料中，E m 和 E f 分別是基體和纖維的彈性模量。 復合材料的彈性模量的另一個極端情況是纖維橫向于施加的載荷，可以使用以下等式找到：

E c = ( V m E m + V f E f ) ? 1

碳纖維增強塑料的斷裂韌性受以下機制控制：1) 碳纖維和聚合物基體之間的脫粘，2) 纖維拉出，以及 3) CFRP 片材之間的分層。 典型的環氧樹脂基 CFRP 幾乎沒有可塑性，失效應變小于 0.5%。

因此，最近增韌 CFRP 的努力包括修改現有的環氧樹脂材料和尋找替代聚合物基體。 PEEK 是一種很有前途的材料，它在彈性模量和拉伸強度相似的情況下表現出更高的韌性。 然而，PEEK 更難加工且更昂貴。

盡管其初始強度重量比很高，但 CFRP 的設計限制是缺乏可定義的疲勞極限。 這意味著，從理論上講，不能排除應力循環失效。 雖然鋼和許多其他結構金屬和合金確實具有可估計的疲勞或耐久極限，但復合材料的復雜失效模式意味著 CFRP 的疲勞失效特性難以預測和設計。

因此，當將 CFRP 用于關鍵的循環載荷應用時，工程師可能需要設計相當大的強度安全裕度，以在其使用壽命內提供合適的組件可靠性。

溫度和濕度等環境影響會對聚合物基復合材料（包括大多數 CFRP）產生深遠影響。 雖然 CFRP 表現出出色的耐腐蝕性，但在很寬的溫度范圍內水分的影響會導致 CFRP 的機械性能下降，尤其是在基質-纖維界面處。 雖然碳纖維本身不受擴散到材料中的水分的影響，但水分會使聚合物基體塑化。