Преимущества и недостатки кевлара, углеродного волокна и стекловолокна

Свойства армирующего волокна ПК

1 предел прочности

Предел прочности – это максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед растяжением. Некоторые нехрупкие материалы деформируются, прежде чем сломаться, но Кевларовые (арамидные) волокна, углеродные волокна и Волокна E-стекла хрупкие и ломаются при незначительной деформации. Предел прочности измеряется как сила на единицу площади (Па или Паскали).

Напряжение – это сила, а деформация – это отклонение, вызванное напряжением. В таблице ниже показано сравнение прочности на разрыв трех обычно используемых армирующих волокон: углеродного волокна, арамидного волокна, стекловолокна и эпоксидной смолы. Стоит отметить, что эти цифры предназначены только для сравнения и могут варьироваться в зависимости от производственного процесса, состава эпоксидной смолы, состава арамида, волокна-предшественника углеродного волокна и т. д. и выражаются в МПа.

2. Плотность и соотношение прочности к весу.

При сравнении плотности трех материалов можно увидеть существенные различия между тремя волокнами. Если сделать три образца одинакового размера и веса, быстро становится очевидным, что волокна Kevlar® намного легче, углеродные волокна идут на втором месте, а волокна из E-стекла самые тяжелые. Следовательно, при одинаковом весе композита более высокую прочность можно получить с помощью углеродного волокна или кевлара®. Другими словами, любая конструкция из углеродного волокна или композитов Kevlar®, требующая заданной прочности, меньше или тоньше, чем конструкция из стекловолокна. После изготовления и испытаний образцов будет обнаружено, что композиты из стекловолокна весят почти в два раза больше, чем ламинаты из кевлара или углеродного волокна. Это означает, что можно значительно снизить вес, используя кевлар® или углеродное волокно. Это свойство называется соотношением прочности к весу.

3. Модуль Юнга Модуль Юнга

Модуль Юнга является мерой жесткости упругого материала и способом описания материала. Он определяется как отношение одноосного (в одном направлении) напряжения к одноосной деформации (деформации в том же направлении). Модуль Юнга = напряжение/деформация, что означает, что материалы с высоким модулем Юнга более жесткие, чем материалы с низким модулем Юнга.

Жесткость углеродного волокна, кевлара и стекловолокна значительно различается. Углеродное волокно примерно в два раза жестче арамидного волокна и в пять раз жестче стекловолокна. Обратной стороной превосходной жесткости углеродного волокна является то, что оно становится более хрупким. Когда он выходит из строя, он, как правило, не проявляет больших напряжений или деформаций.

4. Воспламеняемость и термическое объяснение

И кевлар®, и углеродное волокно устойчивы к высоким температурам и не имеют точки плавления. Оба материала используются в защитной одежде и огнестойких тканях. Стекловолокно со временем плавится, но оно также обладает высокой устойчивостью к высоким температурам. Конечно, матовое стекловолокно, используемое в зданиях, также может повысить огнестойкость.

Углеродное волокно и кевлар® используются для изготовления защитных одеял или одежды для пожаротушения или сварки. Кевларовые перчатки часто используются в мясной промышленности для защиты рук при использовании ножей. Также важна термостойкость матрицы (обычно эпоксидной смолы), поскольку волокна редко используются сами по себе. Под воздействием тепла эпоксидная смола быстро размягчается.

5. Электропроводность, проводимость.

Углеродное волокно проводит электричество, а кевлар® и стекловолокно — нет. Кевлар® используется для протягивания проводов в опорах электропередач. Хотя он и не проводит электричество, он поглощает воду, а вода проводит электричество. Поэтому в таких случаях на кевлар необходимо наносить водонепроницаемое покрытие.

Поскольку углеродное волокно может проводить электричество, коррозия гальванической муфты становится проблемой при контакте с другими металлическими частями.

6. УФ-деградация

Арамидные волокна разрушаются под воздействием солнечного света и высоких УФ-излучений. Углеродные или стеклянные волокна не очень чувствительны к УФ-излучению. Однако некоторые широко используемые матрицы, такие как эпоксидные смолы, остаются под воздействием солнечного света, где они белеют и теряют свою прочность. Полиэфирные и винилэфирные смолы более устойчивы к ультрафиолетовому излучению, но слабее, чем эпоксидные смолы.

7. Устойчивость к усталости

Если деталь неоднократно сгибать и выпрямлять, она в конечном итоге выйдет из строя из-за усталости. Углеродное волокно в некоторой степени чувствительно к усталости и имеет тенденцию к катастрофическому выходу из строя, тогда как Кевлар® более устойчив к усталости. Стекловолокно находится где-то посередине.

8. Устойчивость к истиранию

Кевлар® обладает высокой устойчивостью к истиранию, что затрудняет резку. Одним из распространенных применений кевлара® является использование защитных перчаток в местах, где руки могут быть порезаны стеклом или где используются острые лезвия. Углеродные и стеклянные волокна менее устойчивы.

9. Химическая стойкость 

Арамидные волокна чувствительны к сильным кислотам, щелочам и некоторым окислителям (например, гипохлориту натрия), которые могут вызвать деградацию волокна. Обычные хлорные отбеливатели (например, Clorox®) и перекись водорода нельзя использовать с Kevlar®. Кислородные отбеливатели (например, перборат натрия) можно использовать, не повреждая арамидные волокна.

Углеродные волокна очень стабильны и нечувствительны к химическому разложению. Однако эпоксидная матрица будет разрушаться.

10. Свойства сцепления с телом. 

Чтобы углеродные волокна, кевлар® и стекло работали оптимально, они должны удерживаться на месте в матрице (обычно эпоксидной смоле). Поэтому способность эпоксидной смолы связываться с различными волокнами имеет решающее значение.

Как углеродные, так и стеклянные волокна могут легко прилипать к эпоксидной смоле, но связь арамидного волокна с эпоксидной смолой не настолько прочна, как хотелось бы, и эта уменьшенная адгезия позволяет происходить проникновению воды. В результате легкость, с которой арамидные волокна могут поглощать воду, в сочетании с нежелательной адгезией к эпоксидной смоле означает, что если поверхность композита кевлар® повреждена и может проникнуть вода, то Кевлар® может поглощать воду вдоль волокон и ослаблять композит.

11. Цвет и плетение.

Арамид — это светлое золото в натуральном виде, его можно окрашивать, и теперь он имеет множество приятных оттенков. Стекловолокно также доступно в цветных вариантах. Углеродное волокно всегда черное и его можно смешивать с цветным арамидом, но само по себе оно не может быть окрашено.