Vor- und Nachteile von Kevlar, Kohlefaser und Glasfaser

Eigenschaften des Verstärkungsfasermaterials PK

1 Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit ist die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es sich dehnt. Einige nicht spröde Materialien verformen sich, bevor sie brechen Kevlar® (Aramid)-Fasern, Kohlenstofffasern und E-Glasfasern sind zerbrechlich und brechen bei geringer Verformung. Die Zugfestigkeit wird als Kraft pro Flächeneinheit (Pa oder Pascal) gemessen.

Spannung ist die Kraft und Dehnung ist die durch Spannung verursachte Durchbiegung. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Zugfestigkeit von drei häufig verwendeten Verstärkungsfasern: Kohlefaser, Aramidfaser, Glasfaser und Epoxidharz. Es ist zu beachten, dass diese Zahlen nur zu Vergleichszwecken dienen und je nach Herstellungsprozess, Zusammensetzung des Epoxidharzes, Formulierung des Aramids, Vorläuferfaser der Kohlenstofffaser usw. variieren können und in MPa ausgedrückt werden.

2. Dichte und Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

Beim Vergleich der Dichten der drei Materialien sind deutliche Unterschiede zwischen den drei Fasern erkennbar. Stellt man drei Proben mit exakt gleicher Größe und gleichem Gewicht her, erkennt man schnell, dass Kevlar®-Fasern viel leichter sind, gefolgt von Carbonfasern an zweiter Stelle und E-Glasfasern am schwersten. Daher kann bei gleichem Gewicht des Verbundwerkstoffs mit Kohlefaser oder Kevlar® eine höhere Festigkeit erreicht werden. Mit anderen Worten: Jede Struktur aus Kohlefaser- oder Kevlar®-Verbundwerkstoffen, die eine bestimmte Festigkeit erfordert, ist kleiner oder dünner als eine Struktur aus Glasfaser. Nach der Herstellung und Prüfung von Proben stellt sich heraus, dass Glasfaserverbundstoffe fast doppelt so viel wiegen wie Kevlar®- oder Kohlefaserlaminate. Das bedeutet, dass durch den Einsatz von Kevlar® oder Kohlefaser viel Gewicht eingespart werden kann. Diese Eigenschaft wird als Festigkeits-Gewichts-Verhältnis bezeichnet.

3. Elastizitätsmodul Elastizitätsmodul

Der Elastizitätsmodul ist ein Maß für die Steifigkeit eines elastischen Materials und eine Möglichkeit, ein Material zu beschreiben. Sie ist definiert als das Verhältnis der einachsigen Spannung (in einer Richtung) zur einachsigen Dehnung (Verformung in die gleiche Richtung). Elastizitätsmodul = Spannung/Dehnung, was bedeutet, dass Materialien mit einem hohen Elastizitätsmodul steifer sind als solche mit einem niedrigen Elastizitätsmodul.

Die Steifigkeit von Kohlefaser, Kevlar® und Glasfaser variiert erheblich. Kohlefaser ist etwa doppelt so steif wie Aramidfaser und fünfmal steifer als Glasfaser. Der Nachteil der hervorragenden Steifigkeit von Kohlefaser besteht darin, dass sie tendenziell spröder ist. Wenn es ausfällt, zeigt es in der Regel keine große Belastung oder Verformung.

4. Entflammbarkeit und thermische Erklärung

Sowohl Kevlar® als auch Kohlefaser sind beständig gegen hohe Temperaturen und haben keinen Schmelzpunkt. Beide Materialien wurden in Schutzkleidung und feuerfesten Stoffen verwendet. Glasfasern schmelzen mit der Zeit, sind aber auch gegenüber hohen Temperaturen sehr beständig. Natürlich können in Gebäuden eingesetzte Milchglasfasern auch den Feuerwiderstand erhöhen.

Kohlefaser und Kevlar® werden zur Herstellung von Feuerlösch- oder Schweißerschutzdecken oder -kleidung verwendet. Kevlar-Handschuhe werden in der Fleischindustrie häufig verwendet, um die Hände beim Umgang mit Messern zu schützen. Auch die Hitzebeständigkeit der Matrix (normalerweise Epoxidharz) ist wichtig, da die Fasern selten allein verwendet werden. Unter Hitzeeinwirkung erweicht Epoxidharz schnell.

5. Elektrische Leitfähigkeit, Leitfähigkeit

Kohlefaser leitet Strom, Kevlar® und Glasfaser jedoch nicht. Kevlar® wird zum Ziehen von Drähten in Sendemasten verwendet. Obwohl es keinen Strom leitet, nimmt es Wasser auf, und Wasser leitet Strom. Daher muss Kevlar bei solchen Anwendungen mit einer wasserfesten Beschichtung versehen werden.

Da Kohlefasern Elektrizität leiten können, wird die galvanische Kopplungskorrosion zum Problem, wenn sie mit anderen Metallteilen in Kontakt kommt.

6. UV-Abbau

Aramidfasern zersetzen sich im Sonnenlicht und in Umgebungen mit hoher UV-Strahlung. Kohlenstoff- oder Glasfasern sind gegenüber UV-Strahlung nicht sehr empfindlich. Einige häufig verwendete Matrizen wie Epoxidharze bleiben jedoch im Sonnenlicht zurück, wo sie weiß werden und ihre Festigkeit verlieren. Polyester- und Vinylesterharze sind UV-beständiger, aber schwächer als Epoxidharze.

7. Ermüdungsbeständigkeit

Wenn ein Teil wiederholt gebogen und begradigt wird, wird es schließlich aufgrund von Ermüdung versagen. Kohlefaser ist relativ empfindlich gegenüber Ermüdung und neigt dazu, katastrophal zu versagen, wohingegen Kevlar® widerstandsfähiger gegen Ermüdung ist. Glasfaser liegt irgendwo dazwischen.

8. Abriebfestigkeit

Kevlar® ist sehr abriebfest und daher schwer zu schneiden. Kevlar® wird häufig als Schutzhandschuhe für Bereiche verwendet, in denen die Hände durch Glas geschnitten werden können oder in denen scharfe Klingen verwendet werden. Kohlenstoff- und Glasfasern sind weniger widerstandsfähig.

9. Chemische Beständigkeit 

Aramidfasern reagieren empfindlich auf starke Säuren, Laugen und bestimmte Oxidationsmittel (z. B. Natriumhypochlorit), was zu einer Verschlechterung der Faser führen kann. Herkömmliche Chlorbleichmittel (z. B. Clorox®) und Wasserstoffperoxid können nicht mit Kevlar® verwendet werden. Sauerstoffbleichmittel (z. B. Natriumperborat) können verwendet werden, ohne die Aramidfasern zu beschädigen.

Kohlenstofffasern sind sehr stabil und unempfindlich gegenüber chemischem Abbau. Die Epoxidmatrix wird jedoch abgebaut.

10. Eigenschaften der Körperbindung 

Damit Kohlefasern, Kevlar® und Glas optimal funktionieren, müssen sie in der Matrix (normalerweise Epoxidharz) an ihrem Platz gehalten werden. Daher ist die Fähigkeit des Epoxidharzes, sich mit den verschiedenen Fasern zu verbinden, von entscheidender Bedeutung.

Sowohl Kohlenstoff- als auch Glasfasern können leicht an Epoxidharz haften, die Bindung zwischen Aramidfaser und Epoxidharz ist jedoch nicht so stark wie gewünscht, und diese verringerte Haftung ermöglicht das Eindringen von Wasser. Die Leichtigkeit, mit der Aramidfasern Wasser absorbieren können, gepaart mit der unerwünschten Haftung an Epoxidharz, bedeutet daher, dass Kevlar® Wasser entlang der Fasern absorbieren und schwächer werden kann, wenn die Oberfläche des Kevlar®-Verbundwerkstoffs beschädigt wird und Wasser eindringen kann der Verbund.

11. Farbe und Webart

Aramid ist in seinem natürlichen Zustand hellgolden, kann eingefärbt werden und ist mittlerweile in vielen schönen Farbtönen erhältlich. Glasfaser ist auch in farbigen Ausführungen erhältlich. Kohlefaser ist immer schwarz und kann mit farbigem Aramid gemischt werden, sie selbst kann jedoch nicht eingefärbt werden.