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對比碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維的11項特性
文章來源: 碳纖維及其復合材料技術     更新時間:2020-10-09 16:12:13

 1、拉伸強度

 

拉伸強度是指材料在拉伸之前能夠承受的最大應力。某些非脆性材料在破裂前會變形,但Kevlar®(芳綸)纖維、碳纖維和E-玻璃纖維易碎,并且幾乎沒有變形而破裂。拉伸強度以單位面積的力(Pa或Pascals)度量。

 

應力是力,應變是由于應力引起的撓度。下表顯示了三種常用增強纖維:碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維及環氧樹脂拉伸強度對比,值得注意的是這些數字僅供比較,它們可以隨制造工藝、環氧樹脂的成分、芳綸配方、碳纖維的前驅體纖維等變化,單位為MPa。

 

2、密度和強度重量比

 

當比較三種材料的密度時,就可以看到三種纖維的顯著差異。如果制作3個大小和重量完全相同的樣品,很快就會發現Kevlar®纖維要輕得多,碳纖維緊隨其后,E-玻璃纖維最重。

 

因此,對于相同重量的復合材料,碳纖維或Kevlar®可以獲得更高的強度。換句話說,用碳纖維或Kevlar®復合材料制成的任何需要給定強度的結構,要比用玻璃纖維制成的結構更小或更薄。

 

制作完樣品并進行測試后,會發現玻璃纖維復合材料的重量幾乎是Kevlar®或碳纖維層壓板的兩倍。這就意味著,使用Kevlar®或碳纖維可以節省很多重量。此特性稱為強度重量比。

 

 

3、楊氏模量

 

楊氏模量是彈性材料剛度的量度,是描述材料的一種方法。它定義為單軸(在一個方向上)應力與單軸應變(在同一方向上的變形)的比率。楊氏模量=應力/應變,也就是說楊氏模量高的材料比楊氏模量低的材料更硬。

 

碳纖維、Kevlar®和玻璃纖維的剛度差別很大。碳纖維的剛度約為芳綸纖維的兩倍,而剛度則比玻璃纖維高5倍。碳纖維出色剛度的缺點是,它往往更脆。當它失效時,它往往不會表現出太大的應變或變形。

 

4、易燃性和熱降解

 

Kevlar®和碳纖維均耐高溫,兩者都沒有熔點。兩種材料均已用于防護服和耐火的織物。玻璃纖維最終會融化,但也具有很高的耐高溫性。當然,磨砂玻璃纖維用于建筑物中也可以提高耐火性。

 

碳纖維和Kevlar®用于制造防護性的消防或焊接毯子或衣服。Kevlar手套通常用于肉類行業,以在使用刀時保護手。由于纖維很少單獨使用,因此基體(通常是環氧樹脂)的耐熱性也很重要。受熱后,環氧樹脂會迅速軟化。

 

5、電導率

 

碳纖維可以導電,但Kevlar®和玻璃纖維不導電。Kevlar®用于輸電塔中的拉線。盡管它不導電,但它可以吸收水,并且水確實可以導電。因此,在此類應用中,必須在Kevlar上施加防水涂層。

 

因為碳纖維可以導電,所以當它與其他金屬部件接觸時,電偶腐蝕就成為一個問題。

 

6、紫外線降解

 

芳綸纖維將在陽光和高紫外線環境下降解。碳纖維或玻璃纖維對紫外線輻射不是很敏感。但是,一些常用基體如環氧樹脂保留在陽光下,它將發白并且失去強度,聚酯和乙烯基酯樹脂對紫外線的耐受性更高,但比環氧樹脂要弱。

 

7、抗疲勞

 

如果零件反復彎曲和拉直,則最終會由于疲勞而失效。碳纖維對疲勞有些敏感,并且往往會災難性地失效,而相比之下Kevlar®更耐疲勞。玻璃纖維則介于兩者之間。

 

8、耐磨性

 

Kevlar®具有很強的耐磨性,這使得它難以切割。Kevlar®的常見用途之一是用作防護手套,用于可能被玻璃割傷手或使用鋒利的刀片的區域。碳纖維和玻璃纖維的抵抗力較弱。

 

9、耐化學性

 

芳綸纖維對強酸、強堿和某些氧化劑(例如次氯酸鈉)敏感,這些會導致纖維降解。普通的氯漂白劑(例如Clorox®)和過氧化氫不能與Kevlar®一起使用,氧漂白劑(例如過硼酸鈉)可以使用而不會損壞芳綸纖維。

 

碳纖維非常穩定,對化學降解不敏感。但是,環氧基體會降解。

 

10、基體結合性能

 

為了使碳纖維、Kevlar®和玻璃發揮最佳性能,必須將它們在基體中(通常是環氧樹脂)保持在適當的位置。因此,環氧樹脂和各種纖維粘結在一起的能力至關重要。

 

碳纖維和玻璃纖維都可以很容易地粘在環氧上,但是芳綸纖維-環氧鍵的強度不如所愿,這種降低的粘附力使水滲透發生。結果,芳綸纖維易于吸水,加上對環氧樹脂的不理想粘合力,這意味著如果kevlar®復合材料的表面被損壞并且水可能進入,那么Kevlar®可能會沿著纖維吸收水分,并且削弱復合材料。

 

11、顏色和編織

 

芳綸的自然狀態為淺金色,它可以是彩色的,并且現在有許多不錯的色調。玻璃纖維也有彩色版本。碳纖維總是黑色的,可以將其與有色芳綸混紡,但其本身不能著色。

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