【硬核科普】让你读懂碳布(碳纤维)

高桥凉介

5月21日，我在论坛发帖《从品牌材料营销说消费选择》，主旨是希望大家以实际感受为标准，不要轻信宣传中的一些概念，其中，针对碳布吨位的概念产生了争议。其中，如图1所示16楼对这个问题作出了积极正面的回应，表示感谢。

图1

首先，说明一下，我们常见的30t、40t碳布究竟是什么意思，以30t为例，30T碳布指将碳布卷成截面积1平方厘米的实心杆后能承受30吨的拉力。那么这是否是弹性模量？这里涉及到三个概念：弹性模量、拉伸模量和拉伸强度，具体概念如下：

1.弹性模量是描述材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比例关系（即符合胡克定律）时，应力与应变的比值。它是一个广义的概念，适用于材料在各种受力状态下的弹性性质描述。

2.拉伸模量则专指材料在受正应力（拉伸状态）时的弹性模量。换句话说，拉伸模量是弹性模量在拉伸状态下的特例，其值为将材料沿中心轴方向拉伸单位长度所需的力与其横截面积的比值。

3.拉伸强度是指材料能够承受的最大拉伸应力，是材料的抗断裂能力。

从定义可以看出，“30t碳布”中的30t实际上是拉伸强度的概念，并非拉伸模量，更不是弹性模量，拉伸模量和弹性模量的一般计算公式为E = σ / ε，是应力与应变的比值，而“30t”概念中的1平方厘米指的是截面积，截面与拉力呈法向关系。拉伸模量和弹性模量的计量单位为Pa或MPa。而事实上更多的商家在宣传时，都存在混淆概念。拉伸模量是弹性模量的一种，即受力方向与中心轴方向一致时的弹性模量。图2展示了日本东丽公司T300碳纤维的工程应力-应变曲线。

图2

那么下一个问题就是，拉伸强度和纤维细度是否有关系？

在碳纤维产品生产中，我们关心的纤维指标包括物理性能指标、机械性能指标、稳定性能指标、加工性能指标和附加指标。其中，物理性能指标包括：长度、细度、比重、光泽、吸湿性、热性能和电性能等；机械性能指标包括断裂强度、断裂伸长、初始模量、回弹性和耐多次形变性等。拉伸强度在指标性能中表现为断裂强度和断裂伸长。

细度是纤维粗细的程度。分直接指标和间接指标两种。直接指标一般用纤维的直径和截面积表示，由于纤维截面积不规则，且不易测量，通常用直接指标表示其粗细的时候并不多，故常采用间接指标表示。间接指标是以纤维质量或长度确定，即定长或定重时纤维所具有的质量（定长制）或长度（定重制），在化学纤维工业中通常以单位长度的纤维质量，即线密度（旧称纤度）表示，常用的有以下三种表示方法：

1.特(tex)或分特(dtex)，特或分特是国际单位制（法定计量单位）。1000米长的纤维的重量克数称为特；其十分之一为分特。

2.旦(denier)，9000米长的纤维的重量克数称为旦。对同一种纤维来讲（即纤维的比重一定时），旦数越小，单纤维越细。旦为线密度的非法定计量单位，目前已停止使用，而改为国际单位制。

3.公制支数，公制支数简称公支，是指单位质量的纤维所具有的长度。

纤维拉伸力学性能时评估纤维性能的重要指标[1][2]。对于匀质结构物质，纤维截面积越小，越容易发生断裂[3]，有研究比较了不同直径T300碳纤维单丝拉伸性能[4]，其主要实验结果如表1所示。

表1

纤维	直径(微米)	弹性模量(GPa)	拉伸强度(GPa)	断裂伸长率(%)
T300碳纤维A	7.20	221.72	2.40	1.06
T300碳纤维B	7.04	236.53	2.14	0.91
T300碳纤维C	6.88	220.35	2.50	1.13

表1中拉伸强度和纤维单丝直径呈正相关关系，和弹性模量并没有正向关系。这也表明了碳纤维细度和碳纤维拉伸强度之间的关系。

有必要说明的是，我在之前帖子中将拉伸强度和纤维细度等同的说法是不严谨的，但也绝非某些人(论坛id：马特乌斯)所谓的“gp不懂”，也感谢“觉明行思”提出的内容。理不辩不明，友好的讨论永远是被欢迎的。包括本文在内有何错误之处，也希望专业人士指出，对我本人也是学习的过程。

2023年10月29日，日本东丽公司宣布已经开发出T1200超高强度碳纤维，其拉伸强度为8.0GPa，拉伸模量315GPa，断裂伸长率2.5%，其应用范围涵盖了从体育和休闲用品到飞机的诸多领域，我倒是很期待会不会用在羽毛球拍上。

参考文献

[1]刘大彪,何玉明,胡鹏,等.单纤维微拉伸力学性能测试与分析[J].实验力学,2012,27(01):61-69.

[2]曹玉祥,安璐,李志强,等.声发射技术应用于碳纤维板复合材料损伤检测研究[J].科技风,2020(18):26-28.DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.202018019.

[3]Mala G, Adams N R, Dea T O, et al. Is there a specific weakness in staple strength around the break of season?. Aus. J. Exp. Agr, 1999, 39: 401-409.

[4]雷振坤,亢一澜,王怀文,等.单纤维细丝微力学性能实验研究[J].实验力学,2005(01):72-76.

高桥凉介

不知道为什么，排版好像有问题

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wby

虽然要慢慢消化，但是还是要感谢，涨知识。

觉明行思

30t这个30吨的定义我认为是单位带来的混淆。从表达的概念来看，30t、40t这类型号规格明显是对东丽M30、M40这类型号的另一个说法，这里的30t明显是模量。但为什么会有商家把30t混淆为1平方厘米拉30吨这样的强度概念呢，我认为可能是两个原因，一个是强度和模量都使用Pa这个单位带来的误解，另一个是t这个字母大家比较熟悉它吨的含义。实际上你会发现30t、40t甚至60t这些规格的碳纤维他们的模量和强度无论是用GPa、MPa还是吨，哪个单位都对不上这几个数字。因为这里的30 40 60的单位是（1000kgf/mm2）。

觉明行思

觉明行思 发表于 2024-5-24 10:59
30t这个30吨的定义我认为是单位带来的混淆。从表达的概念来看，30t、40t这类型号规格明显是对东丽M30、M40 ...

更正一下，40t也是对不上的，1000kgf/mm2这个单位只有30t、35t、55t、60t即东丽的M30M35M55M60型号，在数字单位上是完全对应的。

高桥凉介

然而弹性模量的计算是单位应变的应力，该处的应变是应力方向的应变，在量纲上分母不会是面积单位，截面和应力方向正交。从实际来看，除特殊编织（也仅仅是最外层布），多数球拍采用0度碳纱，即纤维丝方向和中杆方向一致，在球拍使用中，不会出现中杆纵向拉伸的使用情况。也就是说碳纤维的机械性能指标并不完全符合球拍制造使用场景，这种概念的模糊化本身就带有鲜明的广告色彩。

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凛厨木瓜

好有趣！
感谢科普

wanglin406

高桥凉介 发表于 2024-5-24 11:30
然而弹性模量的计算是单位应变的应力，该处的应变是应力方向的应变，在量纲上分母不会是面积单位，截面和应 ...

科普挺好


我觉得，中干弯曲的时候，一边受压，一边受拉，所以用弹性模量挺好的呀


有一点没搞懂，为啥单位是Pa?

高桥凉介

wanglin406 发表于 2024-05-24 11:58
科普挺好


我觉得，中干弯曲的时候，一边受压，一边受拉，所以用弹性模量挺好的呀


有一点没搞懂，为啥单位是Pa?

本帖最后由 wanglin406 于 2024-5-24 12:00 编辑

应力是F/S，杨氏模量是应力/形变率，形变率无量纲，面积是标量，应力的矢量方向继承力的方向。所以杨氏模量的单位其实是个压强概念，单位也就是Pa。
我们讨论的点在于，40t的概念究竟是拉伸强度还是拉伸模量，如果是拉伸模量，为何从不说拉伸率。碳纤维的主流命名方式仍然是以拉伸强度标注。下面有东丽公司和中复神鹰的材料数据。

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鸡腿猫

T数越高的碳布，是提供更高的弹性模量？也有说为了提高抗扭，但也更容易断（也就是硬而脆？）

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高桥凉介

鸡腿猫 发表于 2024-05-24 12:27
T数越高的碳布，是提供更高的弹性模量？也有说为了提高抗扭，但也更容易断（也就是硬而脆？）

其他条件（如结构）相同的情况下，t越高，越硬而脆。

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良弓藏

高桥凉介 发表于 2024-05-24 12:33
其他条件（如结构）相同的情况下，t越高，越硬而脆。

请教一下。t越高，抗扭力越高还是越低

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wanglin406

高桥凉介 发表于 2024-5-24 12:24
应力是F/S，杨氏模量是应力/形变率，形变率无量纲，面积是标量，应力的矢量方向继承力的方向。所以杨氏模 ...

我觉得模量挺好的呀，单位面积材料，长度拉长（缩短）一个特定的形变率，所需的力

这描述了一个单位面积粗细尺寸中管，发力变形时（弯曲）时所需的力度（这时候中管一侧拉伸，一侧压缩）也描述了抗扭能力，抵抗扭力时的扭曲变形

拉伸强度描述了最大多大力度，会断

（最大？）拉伸率描述了断之前，能有多大变形

高桥凉介

良弓藏 发表于 2024-05-24 13:06
请教一下。t越高，抗扭力越高还是越低

标准圆截面纤维的抗扭刚度等于杨氏模量x截面积惯性矩/长度，你可以认为它和弹性模量或者拉伸模量正相关，但是在球拍中，真正影响抗扭的因素中，材料非常小。你可以看看最新的羽球文具店测评隼ultre抗扭的视频，隼u的材料只会比黑金隼好，但是抗扭却很差，材料的纤维细度，形状，卷制的粗细，层数都会极大影响抗扭。

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wanglin406

高桥凉介 发表于 2024-5-24 13:29
标准圆截面纤维的抗扭刚度等于杨氏模量x截面积惯性矩/长度，你可以认为它和弹性模量或者拉伸模量正相关， ...

那是因为隼u太细了

良弓藏

wanglin406 发表于 2024-05-24 13:39
那是因为隼u太细了

雷霆100也细，抗扭我觉着还可以

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觉明行思

高桥凉介 发表于 2024-5-24 12:24
应力是F/S，杨氏模量是应力/形变率，形变率无量纲，面积是标量，应力的矢量方向继承力的方向。所以杨氏模 ...

“我们讨论的点在于，40t的概念究竟是拉伸强度还是拉伸模量，如果是拉伸模量，为何从不说拉伸率。碳纤维的主流命名方式仍然是以拉伸强度标注。”
对你说的这句话写一个回复，首线30t40t的概念是拉伸模量无疑，单位是(1000kgf/mm2)，其次为什么不说拉伸率，拉伸率是指最大拉长的比例，碳纤维是脆性材料，基本没有屈服这个阶段。已知碳纤维的模量和强度的话，拉伸率也就可以大致得到了。
其次碳纤维分两种命名、分类方式，一种高强度，一种高模量，当然现在各国发展的第三代碳纤维追求高强高模。所以从行业龙头与标杆企业东丽举例，命名分类方式分为两种：一类是T300、T700这类高强度碳纤维，但其数字也并非拉伸强度的标注，主要是sku的升级，比如T300和T700的模量相同，区别在于强度或者说拉伸率。另一类是M30，M50这类高模量碳纤维，其数字单位前面描述了，这类型号的升级以后缀形式，比如J就代表第二代强度升级的，x是第三代强度进一步升级的，典型代表18年底发布的M40x划时代的高强高模碳纤维，YY在NF系列球拍上率先使用。
最后再说一下碳纤维为什么喜欢用模量和强度描述而非拉伸率的历史原因，碳纤维早期主要应用于军事领域，有的场景比如导弹或者其他需求之类，它可能并不在意最大拉伸到多少会断，它只要求结构要有足够的刚性。有的军事场景下，它可能只关心强度载荷承重是多少，设计重点并不在变形量，毕竟即使是高强度碳纤维拉伸率也就2%，远小于金属。

觉明行思

良弓藏 发表于 2024-5-24 13:06
请教一下。t越高，抗扭力越高还是越低

对于中杆来说，t越高，碳纤维铺层角越大抗扭越强，只有t很高，铺层角是0度，那么高t并不能转化为抗扭。同理，同样45度的碳纱，40t就比30t提供更高抗扭。同时几何形状也有影响，越粗而短抗扭越高，这里粗细影响更大，半径以四次方比例影响抗扭，长度则是线性。

觉明行思

高桥凉介 发表于 2024-5-24 13:29
标准圆截面纤维的抗扭刚度等于杨氏模量x截面积惯性矩/长度，你可以认为它和弹性模量或者拉伸模量正相关， ...

你这个公式写的有点问题，是剪切模量，不是杨氏模量，这是两个概念。

良弓藏

觉明行思 发表于 2024-05-24 14:56
对于中杆来说，t越高，碳纤维铺层角越大抗扭越强，只有t很高，铺层角是0度，那么高t并不能转化为抗扭。同理，同样45度的碳纱，40t就比30t提供更高抗扭。同时几何形状也有影响，越粗而短抗扭越高，这里粗细影响更大，半径以四次方比例影响抗扭，长度则是线性。

谢谢解答，专业

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