Zalety i wady Kevlar, włókna węglowego i włókna szklanego

Właściwości materiału włóknistego wzmacniające PK

1 wytrzymałość na rozciąganie

Wytrzymałość na rozciąganie to maksymalne naprężenie, które materiał może wytrzymać przed rozciągnięciem. Niektóre materiały nie brzegowe deforma się przed złamaniem, ale Włókna Kevlar ® (aramid), włókna węglowe i Włókna E-szklana są kruche i pękają z niewielkim deformacją. Wytrzymałość na rozciąganie jest mierzona jako siła na jednostkę powierzchni (PA lub Pascals).

Naprężenie jest siłą, a odkształcenie jest ugięciem z powodu naprężenia. Poniższa tabela pokazuje porównanie wytrzymałości na rozciąganie trzech powszechnie stosowanych włókien wzmacniających: włókno węglowe, włókno aramidowe, włókno szklane i żywicę epoksydową. Warto zauważyć, że liczby te są przeznaczone wyłącznie do porównania i mogą się różnić w zależności od procesu produkcyjnego, składu żywicy epoksydowej, sformułowania aramidu, błonnika prekursorowego włókna węglowego itp. I są wyrażane w MPA.

2. Gęstość i stosunek wytrzymałości do masy

Porównując gęstość trzech materiałów, między trzema włóknami można zaobserwować znaczące różnice. Jeśli wykonane zostaną trzy próbki o dokładnie takim samym rozmiarze i wadze, szybko staje się oczywiste, że włókna Kevlar® są znacznie lżejsze, a włókna węglowe zbliżają się do drugiego, a włókna E-szklanki są najcięższe. Dlatego dla tej samej masy kompozytu można uzyskać wyższą wytrzymałość za pomocą włókna węglowego lub Kevlar®. Innymi słowy, każda struktura wykonana z kompozytów z włókna węglowego lub Kevlar®, która wymaga danej wytrzymałości, jest mniejsza lub cieńsza niż wykonana z włókna szklanego. Po wykonaniu i przetestowaniu próbek stwierdzono, że kompozyty ze szklanych włókien ważyją prawie dwa razy więcej niż laminaty z włókna węglowego. Oznacza to, że można zaoszczędzić dużą wagę za pomocą Kevlar® lub włókna węglowego. Ta właściwość nazywa się stosunkiem siły do ​​masy.

3. Moduł Modułu Younga Younga

Moduł Younga jest miarą sztywności elastycznego materiału i jest sposobem na opisanie materiału. Jest zdefiniowany jako stosunek naprężenia jednoosiowego (w jednym kierunku) do szczepu jednoosiowego (deformacja w tym samym kierunku). Moduł Younga = naprężenie/odkształcenie, co oznacza, że ​​materiały o module wysokiego Younga są sztywniejsze niż te z modułem niskiego Younga.

Sztywność włókna węglowego, Kevlar® i włókna szklanego różni się znacznie. Włókno węglowe jest około dwa razy sztywniejsze niż włókno aramidowe i pięciokrotnie sztywniejsze niż włókno szklane. Minusem doskonałej sztywności włókna węglowego jest to, że jest ono bardziej kruche. Gdy się nie powiedzie, nie wykazuje dużego obciążenia ani deformacji.

4. Łajność i wyjaśnienie termiczne

Zarówno Kevlar®, jak i włókno węglowe są odporne na wysokie temperatury i żadne z nich nie ma tempa topnienia. Oba materiały były używane w odzieży ochronnej i tkaninach odpornych na ogień. Włókno szklane ostatecznie się stopi, ale jest również wysoce odporne na wysokie temperatury. Oczywiście, mroźne włókna szklane stosowane w budynkach mogą również zwiększyć odporność na ogień.

Włókno węglowe i Kevlar® są używane do produkującej ochronne koce przeciwpożarowe lub spawanie lub odzież. Rękawiczki kevlar są często używane w przemyśle mięsnym do ochrony rąk podczas używania noży. Odporność na ciepło macierzy (zwykle epoksydową) jest również ważna, ponieważ włókna są rzadko stosowane same. Po wystawieniu na ciepło żywica epoksydowa szybko zmiękcza.

5. Przewodnictwo elektryczne, przewodność

Włókno węglowe prowadzi energię elektryczną, ale Kevlar® i włókno szklane nie są używane do ciągnięcia przewodów w wieżach skrzyni biegów. Chociaż nie prowadzi energii elektrycznej, pochłania wodę, a woda prowadzi energię elektryczną. Dlatego w takich zastosowaniach należy zastosować wodoodporną powłokę do Kevlar.

Ponieważ włókno węglowe może prowadzić energię elektryczną, korozja sprzęgania galwanicznego staje się problemem, jeśli chodzi o kontakt z innymi metalowymi częściami.

6. Degradacja UV

Włókna aramidowe ulegają degradacji w świetle słonecznym i wysokim środowisku UV. Włókna węglowe lub szklane nie są bardzo wrażliwe na promieniowanie UV. Jednak niektóre powszechnie używane macierze, takie jak żywice epoksydowe, są zachowywane w świetle słonecznym, gdzie wybiela i straci swoją siłę. Żywice poliestrowe i estru winylowe są bardziej odporne na UV, ale słabsze niż żywice epoksydowe.

7. Odporność na zmęczenie

Jeśli część jest wielokrotnie wygięta i wyprostowana, ostatecznie zawiedzie z powodu zmęczenia. Włókno węglowe jest nieco wrażliwe na zmęczenie i ma tendencję do awarii katastrofalnej, podczas gdy Kevlar® jest bardziej odporny na zmęczenie. Włókno szklane jest gdzieś pomiędzy.

8. Odporność na ścieranie

Kevlar® jest wysoce odporny na ścieranie, co utrudnia cięcie. Jednym z powszechnych zastosowań Kevlar® są rękawiczki ochronne dla obszarów, w których dłonie można wycinać szklanką lub gdzie stosowane są ostre ostrza. Włókna węglowe i szklane są mniej odporne.

9. Odporność chemiczna 

Włókna aramidowe są wrażliwe na silne kwasy, alkalis i niektóre środki utleniające (np. Hipochloryt sodu), co może powodować degradację błonnika. Wspólne bielaki chloru (np. Clorox®) i nadtlenek wodoru nie mogą być stosowane z Kevlar®. Bluki tlenu (np. Perborowanie sodu) mogą być stosowane bez uszkodzenia włókien aramidowych.

Włókna węglowe są bardzo stabilne i niewrażliwe na degradację chemiczną. Jednak macierz epoksydowa degraduje się.

10. Własność ciała 

Aby włókna węglowe Kevlar® i Glass działały optymalnie, muszą być przechowywane na miejscu w matrycy (zwykle żywicy epoksydowej). Zdolność żywicy epoksydowej do wiązania z różnymi włóknami jest zatem krytyczna.

Zarówno włókna węglowe, jak i szklane mogą łatwo przykleić się do epoksydu, ale wiązanie z włóknami aramidowymi nie jest tak silne, jak to wymaga, a ta zmniejszona przyczepność pozwala na penetrację wody. W rezultacie łatwość, z jaką włókna aramidowe mogą wchłania wodę w połączeniu z niepożądaną przyczepnością do epoksydową, oznacza, że ​​jeśli powierzchnia kompozytu Kevlar® jest uszkodzona, a woda może wejść, Kevlar® może wchłaniać wodę wzdłuż włókien i osłabić kompozyt.

11. Kolor i splot

ARAMID ma jasne złoto w swoim naturalnym stanie, może być zabarwiona, a teraz jest w wielu ładnych odcieniach. Włókno szklane jest również dostępne w kolorowych wersjach. Włókno węglowe jest zawsze czarne i można je mieszać z kolorową aramidą, ale sam nie można go zabić.