مزایا و معایب کولار، فیبر کربن و الیاف شیشه

معرفی مواد الیاف تقویتی.

الیاف شیشه، فیبر کربن و الیاف آرامید همگی در حال حاضر مواد تقویت کننده پرکاربرد هستند.

خواص مواد فیبر تقویتی PK

1 استحکام کششی

استحکام کششی حداکثر تنشی است که یک ماده می تواند قبل از کشش تحمل کند. برخی از مواد غیر شکننده قبل از شکستن تغییر شکل می دهند، اما الیاف کولار® (آرامید)، الیاف کربن و الیاف E-glass شکننده هستند و با تغییر شکل کمی می شکنند. استحکام کششی به عنوان نیرو در واحد سطح (Pa یا پاسکال) اندازه گیری می شود.

تنش نیروی است و کرنش انحراف ناشی از تنش است. جدول زیر مقایسه ای از استحکام کششی سه الیاف تقویت کننده رایج را نشان می دهد: فیبر کربن، الیاف آرامید، الیاف شیشه و رزین اپوکسی. شایان ذکر است که این ارقام فقط برای مقایسه هستند و می توانند با فرآیند ساخت، ترکیب رزین اپوکسی، فرمولاسیون آرامید، فیبر پیش ساز فیبر کربن و غیره متفاوت باشند و بر حسب MPa بیان می شوند.

 

2. نسبت تراکم و قدرت به وزن

هنگام مقایسه چگالی سه ماده، تفاوت های قابل توجهی بین سه الیاف مشاهده می شود. اگر سه نمونه با اندازه و وزن دقیقاً یکسان ساخته شود، به سرعت مشخص می‌شود که الیاف Kevlar® بسیار سبک‌تر هستند و الیاف کربن در رتبه دوم قرار دارند و الیاف E-glass سنگین‌ترین. بنابراین، برای وزن یکسان کامپوزیت، استحکام بالاتری را می توان با فیبر کربن یا Kevlar® بدست آورد. به عبارت دیگر، هر ساختار ساخته شده از فیبر کربن یا کامپوزیت های Kevlar® که به استحکام معینی نیاز دارد، کوچکتر یا نازک تر از ساختار ساخته شده از الیاف شیشه است. پس از ساخته شدن و آزمایش نمونه‌ها، مشخص می‌شود که کامپوزیت‌های الیاف شیشه تقریباً دو برابر ورقه‌های Kevlar® یا فیبر کربن وزن دارند. این بدان معنی است که با استفاده از Kevlar® یا فیبر کربن می توان وزن زیادی را کاهش داد. این ویژگی نسبت استحکام به وزن نامیده می شود.

 

3. مدول یانگ مدول یانگ

مدول یانگ معیاری از سفتی یک ماده الاستیک است و راهی برای توصیف یک ماده است. به عنوان نسبت تنش تک محوری (در یک جهت) به کرنش تک محوری (تغییر شکل در همان جهت) تعریف می شود. مدول یانگ = تنش/کرنش، به این معنی که مواد با مدول یانگ بالا سفت‌تر از موادی با مدول یانگ پایین هستند.

سفتی فیبر کربن، Kevlar® و الیاف شیشه به طور قابل توجهی متفاوت است. فیبر کربن تقریباً دو برابر سفت تر از الیاف آرامید و پنج برابر سفت تر از الیاف شیشه است. نقطه ضعف سفتی عالی فیبر کربن این است که ترد تر است. هنگامی که از کار می افتد، تمایل به نشان دادن فشار یا تغییر شکل زیادی ندارد.

 

4. اشتعال پذیری و توضیح حرارتی

هر دو کولار® و فیبر کربن در برابر دماهای بالا مقاوم هستند و هیچکدام نقطه ذوب ندارند. هر دو ماده در لباس های محافظ و پارچه های مقاوم در برابر آتش استفاده شده اند. فیبر شیشه در نهایت ذوب می شود، اما در مقابل دماهای بالا نیز بسیار مقاوم است. البته الیاف شیشه مات مورد استفاده در ساختمان ها نیز می توانند مقاومت در برابر آتش را افزایش دهند.

فیبر کربن و Kevlar® برای ساخت پتوها یا لباس های محافظ آتش نشانی یا جوشکاری استفاده می شود. دستکش کولار اغلب در صنعت گوشت برای محافظت از دست ها هنگام استفاده از چاقو استفاده می شود. مقاومت حرارتی ماتریس (معمولاً اپوکسی) نیز مهم است زیرا الیاف به ندرت به تنهایی استفاده می شوند. هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرد، رزین اپوکسی به سرعت نرم می شود.

5. رسانایی الکتریکی، رسانایی

فیبر کربن الکتریسیته را هدایت می کند، اما Kevlar® و فیبر شیشه ای این کار را انجام نمی دهند. Kevlar® برای کشیدن سیم در دکل های انتقال استفاده می شود. اگرچه رسانای الکتریسیته نیست، اما آب را جذب می کند و آب نیز رسانای الکتریسیته است. بنابراین در چنین کاربردهایی باید یک پوشش ضد آب روی کولار اعمال شود.

از آنجا که فیبر کربن می تواند جریان الکتریکی را هدایت کند، خوردگی جفت گالوانیکی در تماس با سایر قطعات فلزی مشکل ساز می شود.

6. تخریب UV

الیاف آرامید در نور خورشید و محیط های با اشعه ماوراء بنفش بالا تخریب می شوند. الیاف کربن یا شیشه به اشعه ماوراء بنفش خیلی حساس نیستند. با این حال، برخی از ماتریس‌های رایج مانند رزین‌های اپوکسی در زیر نور خورشید باقی می‌مانند که سفید شده و استحکام خود را از دست می‌دهند. رزین های پلی استر و وینیل استر در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم تر، اما ضعیف تر از رزین های اپوکسی هستند.

7. مقاومت در برابر خستگی

اگر قسمتی به طور مکرر خم و راست شود، در نهایت به دلیل خستگی از کار می افتد. فیبر کربن تا حدودی به خستگی حساس است و به طور فاجعه‌باری از بین می‌رود، در حالی که Kevlar® در برابر خستگی مقاوم‌تر است. فیبر شیشه جایی در این بین است.

8. مقاومت در برابر سایش

Kevlar® در برابر سایش بسیار مقاوم است که برش را دشوار می کند. یکی از کاربردهای رایج Kevlar® به عنوان دستکش محافظ برای مناطقی است که ممکن است دست ها با شیشه بریده شوند یا از تیغه های تیز استفاده شود. الیاف کربن و شیشه مقاومت کمتری دارند.

 

9. مقاومت شیمیایی 

الیاف آرامید به اسیدهای قوی، قلیایی ها و عوامل اکسید کننده خاص (مانند هیپوکلریت سدیم) حساس هستند که می توانند باعث تخریب فیبر شوند. سفید کننده های معمولی کلر (به عنوان مثال Clorox®) و پراکسید هیدروژن را نمی توان با Kevlar® استفاده کرد. سفید کننده های اکسیژن (مانند سدیم پربورات) را می توان بدون آسیب رساندن به الیاف آرامید استفاده کرد.

الیاف کربن بسیار پایدار و غیر حساس به تخریب شیمیایی هستند. با این حال، ماتریس اپوکسی تخریب می شود.

10. خواص پیوند بدن 

برای اینکه الیاف کربن، Kevlar® و شیشه عملکرد مطلوبی داشته باشند، باید در ماتریس (معمولاً رزین اپوکسی) ثابت شوند. بنابراین توانایی رزین اپوکسی برای اتصال به الیاف مختلف بسیار مهم است.

هر دو الیاف کربن و شیشه می توانند به راحتی به اپوکسی بچسبند، اما پیوند فیبر آرامید-اپوکسی به اندازه دلخواه قوی نیست و این چسبندگی کاهش یافته اجازه می دهد تا نفوذ آب رخ دهد. در نتیجه، سهولتی که الیاف آرامید می توانند آب را جذب کنند، همراه با چسبندگی نامطلوب به اپوکسی، به این معنی است که اگر سطح کامپوزیت کولار آسیب دیده و آب وارد شود، کولار® ممکن است آب را در طول الیاف جذب کند و کامپوزیت را ضعیف کند.

11. رنگ و بافت

آرامید در حالت طبیعی خود طلایی روشن است، می تواند رنگی باشد و اکنون در سایه های زیبای زیادی عرضه می شود. الیاف شیشه در نسخه های رنگی نیز موجود است. فیبر کربن همیشه سیاه است و می توان آن را با آرامید رنگی ترکیب کرد، اما نمی توان خود را رنگ کرد.

چگونه مواد فیبر تقویت کننده را انتخاب کنیم؟

پس از مقایسه 11 مورد فوق، ما به درک اولیه از این سه ماده دست یافته ایم.

انتخاب خاص مواد به کاربرد خاص و ملاحظات اقتصادی برای رسیدن به یک راه حل رضایت بخش بستگی دارد.

اگر سؤالی دارید، لطفاً با تیم JLON تماس بگیرید، که می تواند پشتیبانی فنی حرفه ای را برای کمک به شما در بهینه سازی هزینه ها و صرفه جویی در زمان و تلاش ارائه دهد.