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干货 | 一文详细对比碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维的11项特性

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发表于 2024-5-31 11:56:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
1、拉伸强度
拉伸强度是指材料在拉伸之前能够承受的最大应力。某些非脆性材料在破裂前会变形,但Kevlar®(芳纶)纤维、碳纤维和E-玻璃纤维易碎,并且几乎没有变形而破裂。拉伸强度以单位面积的力(Pa或Pascals)度量。
应力是力,应变是由于应力引起的挠度。下表显示了三种常用增强纤维:碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维及环氧树脂拉伸强度对比,值得注意的是这些数字仅供比较,它们可以随制造工艺、环氧树脂的成分、芳纶配方、碳纤维的前驱体纤维等变化,单位为MPa。
2、密度和强度重量比
当比较三种材料的密度时,就可以看到三种纤维的显着差异。如果制作3个大小和重量完全相同的样品,很快就会发现Kevlar®纤维要轻得多,碳纤维紧随其后,E-玻璃纤维最重。
因此,对于相同重量的复合材料,碳纤维或Kevlar®可以获得更高的强度。换句话说,用碳纤维或Kevlar®复合材料制成的任何需要给定强度的结构,要比用玻璃纤维制成的结构更小或更薄。
制作完样品并进行测试后,会发现玻璃纤维复合材料的重量几乎是Kevlar®或碳纤维层压板的两倍。这就意味着,使用Kevlar®或碳纤维可以节省很多重量。此特性称为强度重量比。
3、杨氏模量
杨氏模量是弹性材料刚度的量度,是描述材料的一种方法。它定义为单轴(在一个方向上)应力与单轴应变(在同一方向上的变形)的比率。杨氏模量=应力/应变,也就是说杨氏模量高的材料比杨氏模量低的材料更硬。
碳纤维、Kevlar®和玻璃纤维的刚度差别很大。碳纤维的刚度约为芳纶纤维的两倍,而刚度则比玻璃纤维高5倍。碳纤维出色刚度的缺点是,它往往更脆。当它失效时,它往往不会表现出太大的应变或变形。
4、易燃性和热降解
Kevlar®和碳纤维均耐高温,两者都没有熔点。两种材料均已用于防护服和耐火的织物。玻璃纤维最终会融化,但也具有很高的耐高温性。当然,磨砂玻璃纤维用于建筑物中也可以提高耐火性。
碳纤维和Kevlar®用于制造防护性的消防或焊接毯子或衣服。Kevlar手套通常用于肉类行业,以在使用刀时保护手。由于纤维很少单独使用,因此基体(通常是环氧树脂)的耐热性也很重要。受热后,环氧树脂会迅速软化。
5、电导率
碳纤维可以导电,但Kevlar®和玻璃纤维不导电。Kevlar®用于输电塔中的拉线。尽管它不导电,但它可以吸收水,并且水确实可以导电。因此,在此类应用中,必须在Kevlar上施加防水涂层。
因为碳纤维可以导电,所以当它与其他金属部件接触时,电偶腐蚀就成为一个问题。
6、紫外线降解
芳纶纤维将在阳光和高紫外线环境下降解。碳纤维或玻璃纤维对紫外线辐射不是很敏感。但是,一些常用基体如环氧树脂保留在阳光下,它将发白并且失去强度,聚酯和乙烯基酯树脂对紫外线的耐受性更高,但比环氧树脂要弱。
7、抗疲劳
如果零件反复弯曲和拉直,则最终会由于疲劳而失效。碳纤维对疲劳有些敏感,并且往往会灾难性地失效,而相比之下Kevlar®更耐疲劳。玻璃纤维则介于两者之间。
8、耐磨性
Kevlar®具有很强的耐磨性,这使得它难以切割。Kevlar®的常见用途之一是用作防护手套,用于可能被玻璃割伤手或使用锋利的刀片的区域。碳纤维和玻璃纤维的抵抗力较弱。
9、耐化学性
芳纶纤维对强酸、强碱和某些氧化剂(例如次氯酸钠)敏感,这些会导致纤维降解。普通的氯漂白剂(例如Clorox®)和过氧化氢不能与Kevlar®一起使用,氧漂白剂(例如过硼酸钠)可以使用而不会损坏芳纶纤维。
碳纤维非常稳定,对化学降解不敏感。但是,环氧基体会降解。
10、机体结合性能
为了使碳纤维、Kevlar®和玻璃发挥最佳性能,必须将它们在基体中(通常是环氧树脂)保持在适当的位置。因此,环氧树脂和各种纤维粘结在一起的能力至关重要。
碳纤维和玻璃纤维都可以很容易地粘在环氧上,但是芳纶纤维-环氧键的强度不如所愿,这种降低的粘附力使水渗透发生。结果,芳纶纤维易于吸水,加上对环氧树脂的不理想粘合力,这意味着如果kevlar®复合材料的表面被损坏并且水可能进入,那么Kevlar®可能会沿着纤维吸收水分,并且削弱复合材料。
11、颜色和编织芳纶的自然状态为浅金色,它可以是彩色的,并且现在有许多不错的色调。玻璃纤维也有彩色版本。碳纤维总是黑色的,可以将其与有色芳纶混纺,但其本身不能着色。
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