مزايا وعيوب الكيفلار وألياف الكربون والألياف الزجاجية

خصائص مادة ألياف التسليح PK

1 قوة الشد

قوة الشد هي أقصى ضغط يمكن أن تتحمله المادة قبل التمدد. بعض المواد غير الهشة تتشوه قبل أن تنكسر، ولكن الكيفلار ® (الأراميد)،ألياف ألياف الكربون و ألياف الزجاج الإلكتروني هشة وتنكسر مع القليل من التشوه. يتم قياس قوة الشد كقوة لكل وحدة مساحة (Pa أو Pascals).

الإجهاد هو القوة والإجهاد هو الانحراف بسبب الإجهاد. يوضح الجدول أدناه مقارنة قوة الشد لثلاثة ألياف تقوية شائعة الاستخدام: ألياف الكربون، وألياف الأراميد، والألياف الزجاجية، وراتنج الإيبوكسي. تجدر الإشارة إلى أن هذه الأرقام للمقارنة فقط ويمكن أن تختلف باختلاف عملية التصنيع، وتركيبة راتنجات الإيبوكسي، وتركيبة الأراميد، والألياف الأولية لألياف الكربون، وما إلى ذلك، ويتم التعبير عنها بالميجا باسكال.

2. نسبة الكثافة والقوة إلى الوزن

عند مقارنة كثافات المواد الثلاث، يمكن ملاحظة اختلافات كبيرة بين الألياف الثلاثة. إذا تم صنع ثلاث عينات بنفس الحجم والوزن تمامًا، فسيصبح من الواضح سريعًا أن ألياف الكيفلار® أخف بكثير، وتأتي ألياف الكربون في المرتبة الثانية وألياف الزجاج الإلكتروني هي الأثقل. لذلك، بنفس وزن المركب، يمكن الحصول على قوة أعلى باستخدام ألياف الكربون أو الكيفلار®. بمعنى آخر، أي هيكل مصنوع من ألياف الكربون أو مركبات الكيفلار® والذي يتطلب قوة معينة يكون أصغر أو أرق من الهيكل المصنوع من الألياف الزجاجية. بعد إجراء العينات واختبارها، سيتبين أن مركبات الألياف الزجاجية تزن تقريبًا ضعف وزن الكيفلار® أو شرائح ألياف الكربون. وهذا يعني أنه يمكن توفير الكثير من الوزن باستخدام ألياف الكيفلار® أو ألياف الكربون. تسمى هذه الخاصية نسبة القوة إلى الوزن.

3. معامل يونج معامل يونج

معامل يونغ هو مقياس لصلابة المادة المرنة وهو وسيلة لوصف المادة. يتم تعريفه على أنه نسبة الإجهاد أحادي المحور (في اتجاه واحد) إلى الإجهاد أحادي المحور (التشوه في نفس الاتجاه). معامل يونج = الإجهاد/الانفعال، مما يعني أن المواد ذات معامل يونج العالي تكون أكثر صلابة من تلك التي لها معامل يونج منخفض.

تختلف صلابة ألياف الكربون والكيفلار والألياف الزجاجية بشكل كبير. ألياف الكربون أقوى بمرتين تقريبًا من ألياف الأراميد وأكثر صلابة بخمس مرات من الألياف الزجاجية. الجانب السلبي للصلابة الممتازة لألياف الكربون هو أنها تميل إلى أن تكون أكثر هشاشة. عندما تفشل، فإنها لا تميل إلى إظهار الكثير من الإجهاد أو التشوه.

4. القابلية للاشتعال والتفسير الحراري

كل من Kevlar® وألياف الكربون مقاومان لدرجات الحرارة المرتفعة وليس لديهما نقطة انصهار. وقد تم استخدام كلتا المادتين في الملابس الواقية والأقمشة المقاومة للحريق. سوف تذوب الألياف الزجاجية في النهاية، ولكنها أيضًا شديدة المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة. وبطبيعة الحال، يمكن للألياف الزجاجية المتجمدة المستخدمة في المباني أن تزيد أيضًا من مقاومة الحريق.

يتم استخدام ألياف الكربون وKevlar® في صناعة البطانيات أو الملابس الواقية لمكافحة الحرائق أو اللحام. غالبًا ما تستخدم قفازات الكيفلار في صناعة اللحوم لحماية الأيدي عند استخدام السكاكين. تعد مقاومة الحرارة للمصفوفة (عادةً الإيبوكسي) مهمة أيضًا حيث نادرًا ما يتم استخدام الألياف بمفردها. عند تعرضه للحرارة، يلين راتنجات الايبوكسي بسرعة.

5. الموصلية الكهربائية، الموصلية

ألياف الكربون توصل الكهرباء، لكن الكيفلار® والألياف الزجاجية لا تقومان بذلك. يستخدم الكيفلار® لسحب الأسلاك في أبراج النقل. وعلى الرغم من أنه لا يوصل الكهرباء، إلا أنه يمتص الماء والماء يوصل الكهرباء. ولذلك، يجب تطبيق طلاء مقاوم للماء على الكيفلار في مثل هذه التطبيقات.

ونظرًا لأن ألياف الكربون يمكنها توصيل الكهرباء، فإن تآكل الوصلات الجلفانية يصبح مشكلة عندما تتلامس مع أجزاء معدنية أخرى.

6. تدهور الأشعة فوق البنفسجية

سوف تتحلل ألياف الأراميد في ضوء الشمس وبيئات الأشعة فوق البنفسجية العالية. ألياف الكربون أو الألياف الزجاجية ليست حساسة جدًا للأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، يتم الاحتفاظ ببعض المصفوفات شائعة الاستخدام مثل راتنجات الإيبوكسي في ضوء الشمس حيث تبيض وتفقد قوتها. تعتبر راتنجات البوليستر والفينيل أكثر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية، ولكنها أضعف من راتنجات الإيبوكسي.

7. مقاومة التعب

إذا تم ثني الجزء وتقويمه بشكل متكرر، فسوف يفشل في النهاية بسبب التعب. ألياف الكربون حساسة إلى حد ما للتعب وتميل إلى الفشل بشكل كارثي، في حين أن الكيفلار أكثر مقاومة للتعب. الألياف الزجاجية في مكان ما بينهما.

8. مقاومة التآكل

يتميز الكيفلار® بمقاومته العالية للتآكل، مما يجعل من الصعب قطعه. أحد الاستخدامات الشائعة لـ Kevlar® هو استخدامه كقفازات واقية للمناطق التي قد تتعرض فيها الأيدي للقطع بسبب الزجاج أو حيث يتم استخدام شفرات حادة. ألياف الكربون والزجاج أقل مقاومة.

9. المقاومة الكيميائية 

ألياف الأراميد حساسة للأحماض القوية والقلويات وبعض العوامل المؤكسدة (مثل هيبوكلوريت الصوديوم)، والتي يمكن أن تسبب تدهور الألياف. لا يمكن استخدام مبيضات الكلور الشائعة (مثل Clorox®) وبيروكسيد الهيدروجين مع Kevlar®. يمكن استخدام مبيضات الأكسجين (مثل بيربورات الصوديوم) دون الإضرار بألياف الأراميد.

ألياف الكربون مستقرة للغاية وغير حساسة للتحلل الكيميائي. ومع ذلك، فإن مصفوفة الايبوكسي تتحلل.

10. خصائص الترابط بالجسم 

لكي تؤدي ألياف الكربون والكيفلر والزجاج الأداء الأمثل، يجب تثبيتها في مكانها في المصفوفة (عادةً راتنجات الإيبوكسي). ولذلك فإن قدرة راتنجات الايبوكسي على الارتباط بالألياف المختلفة أمر بالغ الأهمية.

يمكن لكل من ألياف الكربون والألياف الزجاجية أن تلتصق بسهولة بالإيبوكسي، لكن رابطة ألياف الأراميد والإيبوكسي ليست قوية كما هو مرغوب، وهذا الالتصاق المنخفض يسمح بحدوث اختراق للماء. ونتيجة لذلك، فإن سهولة امتصاص ألياف الأراميد للماء، إلى جانب الالتصاق غير المرغوب فيه بالإيبوكسي، يعني أنه في حالة تلف سطح مركب الكيفلار® وإمكانية دخول الماء، فإن الكيفلار® قد يمتص الماء على طول الألياف ويضعف المركب.

11. اللون والنسيج

الأراميد هو ذهب فاتح في حالته الطبيعية، ويمكن تلوينه ويأتي الآن بالعديد من الظلال الجميلة. الألياف الزجاجية متوفرة أيضًا في الإصدارات الملونة. يكون لون ألياف الكربون دائمًا أسود ويمكن مزجه مع الأراميد الملون، لكن لا يمكن تلوينه بنفسه.