碳纤维是一种非常坚固的聚合物材料，它具有高刚度、高拉伸强度、重量轻、高耐化学性、耐高温性和低热膨胀性等优点。

碳纤维的强度是钢的五倍，硬度则是钢的两倍。尽管碳纤维比钢更坚固坚硬，但它比钢更轻，使其成为许多零件的理想制造材料。碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料。

在本系列文章中将会简要介绍碳纤维的几种常见的属性（如密度、拉伸性能、硬度、熔融温度等）及其计算方法，本文首先介绍了纤维密度和拉伸性能。

碳纤维密度

密度定义为每单位体积的质量，在数学上定义为质量除以体积。换句话说，一种物质的密度（ρ）是该物质的总质量（m）除以该物质所占的总体积（V）。国际单位制的标准单位为千克/立方米（kg/m3），而标准英制单位为磅质量/立方英尺（lbm/ft3），碳纤维的密度约为2000 kg/m3。

相关计算示例：根据上述密度公式，来计算一个重量为1吨的碳纤维立方体的高度。由于密度为每单位体积的质量，计算时质量除以体积：ρ=m/V。

在计算立方体高度时，由于立方体的体积是其边长的三次方（V=a3），因此按照如下公式可以计算出该立方体的高度a为0.793 m。

碳纤维强度

在材料力学中，材料的强度是指其在承受施加载荷而不发生破坏或塑性变形的能力。材料的强度基本上考虑了施加在材料上的外部载荷与由此产生的材料尺寸变形或变化之间的关系。在设计结构时，考虑这些因素是很重要的，以便所选材料具有足够的强度来抵抗施加的载荷或力，并保持其原始形状。

对于拉伸应力，材料或结构承受倾向于伸长的载荷的能力被称为极限拉伸强度（UTS）。屈服强度或屈服应力是材料特性，定义为材料开始塑性变形的应力，而屈服点是非线性（弹性 塑性）变形开始的点。

在均匀杆的拉伸应力（应力-应变曲线）的情况下，胡克定律描述了杆在弹性区域的行为。杨氏弹性模量是在单轴变形的线弹性状态下拉伸和压缩应力的弹性模量，通常通过拉伸试验进行评估。

碳纤维(4000MPa)与其他元素组成材料拉伸强度对比

碳纤维(500GPa)与其他元素组成材料的拉伸模量对比

典型的强度计算实例：应力（σ）可以等于每单位面积的载荷或垂直于力的每横截面积（A）施加的力（F），如下所示：

假设一根棒是由碳纤维制成的，该棒的横截面积为1cm2，计算该材料达到极限抗拉强度（UTS=4000 MPa）所需的拉力，因此，达到极限拉伸强度所需的拉力为F=UTS x A=4000 x 106 x 0.0001=400 000 N。