케블라, 탄소섬유, 유리섬유의 장점과 단점

강화섬유 소재 특성 PK

1 인장강도

인장 강도는 재료가 늘어나기 전에 견딜 수 있는 최대 응력입니다. 깨지지 않는 일부 재료는 파손되기 전에 변형되지만 Kevlar ®(아라미드) 섬유, 탄소섬유 와 E-유리 섬유는 깨지기 쉽고 변형이 거의 없습니다. 인장 강도는 단위 면적당 힘(Pa 또는 파스칼)으로 측정됩니다.

응력은 힘이고 변형은 응력으로 인한 변형입니다. 아래 표는 일반적으로 사용되는 세 가지 강화 섬유인 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 유리 섬유 및 에폭시 수지의 인장 강도를 비교한 것입니다. 이 수치는 비교용일 뿐이며 제조 공정, 에폭시 수지의 조성, 아라미드의 조성, 탄소 섬유의 전구체 섬유 등에 따라 달라질 수 있으며 MPa로 표시된다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

 

2. 밀도 및 중량 대비 강도 비율

세 가지 재료의 밀도를 비교할 때 세 가지 섬유 사이에 상당한 차이가 있음을 알 수 있습니다. 정확히 동일한 크기와 무게의 샘플 3개를 만들면 Kevlar® 섬유가 훨씬 더 가벼우며, 그 다음은 탄소 섬유이고, E-유리 섬유는 가장 무겁다는 것이 금방 분명해집니다. 따라서 동일한 무게의 복합재에 대해 탄소 섬유 또는 Kevlar®를 사용하면 더 높은 강도를 얻을 수 있습니다. 즉, 주어진 강도를 요구하는 탄소 섬유 또는 Kevlar® 복합재로 만든 구조물은 유리 섬유로 만든 구조물보다 작거나 얇습니다. 샘플을 만들고 테스트한 후 유리 섬유 복합재의 무게는 Kevlar® 또는 탄소 섬유 적층판보다 거의 두 배나 더 나가는 것으로 나타났습니다. 이는 Kevlar® 또는 탄소 섬유를 사용하면 무게를 많이 줄일 수 있음을 의미합니다. 이 특성을 강도 대 중량비라고 합니다.

 

3. 영률 영률

영률은 탄성 재료의 강성을 측정한 것이며 재료를 설명하는 방법입니다. 이는 단축 변형(동일 방향 변형)에 대한 단축(한 방향) 응력의 비율로 정의됩니다. 영률 = 응력/변형률. 이는 영률이 높은 재료가 영률이 낮은 재료보다 더 단단하다는 것을 의미합니다.

탄소 섬유, Kevlar® 및 유리 섬유의 강성은 상당히 다양합니다. 탄소 섬유는 아라미드 섬유보다 약 2배, 유리 섬유보다 5배 더 단단합니다. 탄소 섬유의 우수한 강성의 단점은 부서지기 쉬운 경향이 있다는 것입니다. 실패하면 변형이나 변형이 많이 나타나지 않는 경향이 있습니다.

 

4. 가연성 및 열적 설명

Kevlar®와 탄소 섬유는 모두 고온에 강하고 녹는점이 없습니다. 두 재료 모두 보호복과 내화성 직물에 사용되었습니다. 유리 섬유는 결국 녹지만 고온에 대한 저항력도 뛰어납니다. 물론 건물에 사용되는 젖빛 유리 섬유도 내화성을 높일 수 있습니다.

탄소 섬유와 Kevlar®는 보호용 소방용 담요나 용접용 담요 또는 의류를 만드는 데 사용됩니다. 케블라 장갑은 육류 산업에서 칼을 사용할 때 손을 보호하기 위해 자주 사용됩니다. 섬유가 단독으로 사용되는 경우가 거의 없기 때문에 매트릭스(보통 에폭시)의 내열성도 중요합니다. 열에 노출되면 에폭시 수지는 빠르게 부드러워집니다.

5. 전기전도도, 전도도

탄소 섬유는 전기를 전도하지만 Kevlar®와 유리 섬유는 그렇지 않습니다. Kevlar®는 송전탑에서 전선을 당기는 데 사용됩니다. 전기를 전도하지는 않지만 물을 흡수하여 물은 전기를 전도합니다. 따라서 이러한 응용 분야에서는 Kevlar에 방수 코팅을 적용해야 합니다.

탄소 섬유는 전기를 전도할 수 있기 때문에 다른 금속 부품과 접촉하면 갈바닉 커플링 부식이 문제가 됩니다.

6. 자외선 분해

아라미드 섬유는 햇빛과 높은 UV 환경에서 품질이 저하됩니다. 탄소 또는 유리 섬유는 UV 방사선에 그다지 민감하지 않습니다. 그러나 에폭시 수지와 같이 일반적으로 사용되는 일부 매트릭스는 햇빛에 남아 있어 하얗게 변하고 강도를 잃습니다. 폴리에스테르 및 비닐 에스테르 수지는 UV에 대한 저항력이 더 높지만 에폭시 수지보다 약합니다.

7. 피로 저항

부품을 반복적으로 구부리고 펴면 피로로 인해 결국 파손됩니다. 탄소 섬유는 피로에 다소 민감하여 치명적인 손상을 입는 경향이 있는 반면, Kevlar®는 피로에 더 강합니다. 유리 섬유는 그 사이 어딘가에 있습니다.

8. 내마모성

Kevlar®는 내마모성이 뛰어나 절단이 어렵습니다. Kevlar®의 일반적인 용도 중 하나는 유리에 손이 베이거나 날카로운 칼날이 사용되는 부위를 보호하는 장갑입니다. 탄소섬유와 유리섬유는 저항력이 약합니다.

 

9. 내화학성 

아라미드 섬유는 섬유 분해를 일으킬 수 있는 강산, 알칼리 및 특정 산화제(예: 차아염소산나트륨)에 민감합니다. 일반적인 염소 표백제(예: Clorox®)와 과산화수소는 Kevlar®와 함께 사용할 수 없습니다. 산소 표백제(예: 과붕산나트륨)는 아라미드 섬유를 손상시키지 않고 사용할 수 있습니다.

탄소 섬유는 매우 안정적이며 화학적 분해에 민감하지 않습니다. 그러나 에폭시 매트릭스는 성능이 저하됩니다.

10. 신체 결합 특성 

탄소 섬유, Kevlar® 및 유리가 최적의 성능을 발휘하려면 매트릭스(보통 에폭시 수지)에 고정되어야 합니다. 따라서 다양한 섬유에 결합하는 에폭시 수지의 능력이 중요합니다.

탄소 섬유와 유리 섬유 모두 에폭시에 쉽게 달라붙을 수 있지만 아라미드 섬유-에폭시 결합은 원하는 만큼 강하지 않으며 이로 인해 접착력이 감소하여 물 침투가 발생할 수 있습니다. 결과적으로, 아라미드 섬유가 물을 쉽게 흡수할 수 있고 에폭시에 대한 바람직하지 않은 접착력이 결합되어 kevlar® 복합재의 표면이 손상되어 물이 들어갈 수 있으면 Kevlar®가 섬유를 따라 물을 흡수하여 약화될 수 있음을 의미합니다. 복합물.

11. 색상과 직조

아라미드는 자연 상태의 연한 금색이며 착색이 가능하고 다양한 색상으로 제공됩니다. 유리 섬유는 컬러 버전으로도 제공됩니다. 탄소섬유는 항상 검은색을 띠며 유색 아라미드와 혼합될 수 있지만 그 자체로는 착색될 수 없습니다.