ข้อดีและข้อเสียของเคฟล่าร์ คาร์บอนไฟเบอร์ และใยแก้ว

คุณสมบัติวัสดุไฟเบอร์เสริมแรง PK

1 ความต้านแรงดึง

ความต้านแรงดึงคือความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนที่จะยืดออก วัสดุที่ไม่เปราะบางชนิดเสียรูปก่อนแตกหักแต่ เส้นใย เคฟล่าร์ ® (อะรามิด) เส้นใยคาร์บอน และ เส้นใยแก้วอี มีความเปราะบางและแตกหักง่าย ความต้านแรงดึงวัดเป็นแรงต่อหน่วยพื้นที่ (Pa หรือ Pascals)

ความเครียดคือแรง และความเครียดคือการโก่งตัวเนื่องจากความเครียด ตารางด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบความต้านทานแรงดึงของเส้นใยเสริมแรงสามชนิดที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ คาร์บอนไฟเบอร์ เส้นใยอะรามิด ใยแก้ว และอีพอกซีเรซิน เป็นที่น่าสังเกตว่าตัวเลขเหล่านี้มีไว้เพื่อการเปรียบเทียบเท่านั้น และอาจแตกต่างกันไปตามกระบวนการผลิต องค์ประกอบของอีพอกซีเรซิน สูตรของอะรามิด เส้นใยตั้งต้นของคาร์บอนไฟเบอร์ ฯลฯ และแสดงเป็น MPa

2. อัตราส่วนความหนาแน่นและความแข็งแรงต่อน้ำหนัก

เมื่อเปรียบเทียบความหนาแน่นของวัสดุทั้งสามชนิด จะมองเห็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเส้นใยทั้งสามชนิด หากสร้างตัวอย่างสามตัวอย่างที่มีขนาดและน้ำหนักเท่ากันทุกประการ จะเห็นได้ชัดอย่างรวดเร็วว่าเส้นใย Kevlar® นั้นเบากว่ามาก โดยที่เส้นใยคาร์บอนจะมาเป็นอันดับสองและเส้นใย E-glass นั้นมีน้ำหนักมากที่สุด ดังนั้นสำหรับคอมโพสิตที่มีน้ำหนักเท่ากัน สามารถรับความแข็งแรงสูงกว่าด้วยคาร์บอนไฟเบอร์หรือ Kevlar® กล่าวอีกนัยหนึ่ง โครงสร้างใดๆ ที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์หรือคอมโพสิต Kevlar® ที่ต้องการความแข็งแรงตามที่กำหนดจะเล็กกว่าหรือบางกว่าโครงสร้างที่ทำจากใยแก้ว หลังจากสร้างและทดสอบตัวอย่างแล้ว จะพบว่าคอมโพสิตใยแก้วมีน้ำหนักมากกว่าลามิเนต Kevlar® หรือคาร์บอนไฟเบอร์เกือบสองเท่า ซึ่งหมายความว่าสามารถลดน้ำหนักได้มากโดยใช้ Kevlar® หรือคาร์บอนไฟเบอร์ คุณสมบัตินี้เรียกว่าอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก

3. โมดูลัสของยัง โมดูลัสของ Young

โมดูลัสของยังคือการวัดความแข็งของวัสดุยืดหยุ่นและเป็นวิธีการอธิบายวัสดุ มันถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของความเครียดในแกนเดียว (ในทิศทางเดียว) ต่อความเครียดในแกนเดียว (การเสียรูปในทิศทางเดียวกัน) โมดูลัสของ Young = ความเค้น/ความเครียด ซึ่งหมายความว่าวัสดุที่มีโมดูลัสของ Young สูงจะมีความแข็งมากกว่าวัสดุที่มีโมดูลัสของ Young ต่ำ

ความแข็งของคาร์บอนไฟเบอร์ Kevlar® และใยแก้วแตกต่างกันมาก คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งมากกว่าเส้นใยอะรามิดประมาณสองเท่าและมีความแข็งมากกว่าเส้นใยแก้วถึงห้าเท่า ข้อเสียของความแข็งที่ยอดเยี่ยมของคาร์บอนไฟเบอร์คือมีแนวโน้มที่จะเปราะมากกว่า เมื่อล้มเหลว ก็มีแนวโน้มที่จะไม่แสดงอาการตึงหรือการเสียรูปมากนัก

4. คำอธิบายเกี่ยวกับความไวไฟและความร้อน

ทั้ง Kevlar® และคาร์บอนไฟเบอร์ทนต่ออุณหภูมิสูงและไม่มีจุดหลอมเหลว วัสดุทั้งสองถูกนำมาใช้ในชุดป้องกันและผ้าทนไฟ ใยแก้วจะละลายในที่สุด แต่ก็มีความทนทานต่ออุณหภูมิสูงเช่นกัน แน่นอนว่าใยแก้วฝ้าที่ใช้ในอาคารก็สามารถเพิ่มการทนไฟได้เช่นกัน

คาร์บอนไฟเบอร์และเคฟล่าร์® ใช้ทำผ้าห่มหรือเสื้อผ้าสำหรับผจญเพลิงหรือเชื่อม ถุงมือเคฟล่าร์มักใช้ในอุตสาหกรรมเนื้อสัตว์เพื่อป้องกันมือเมื่อใช้มีด การต้านทานความร้อนของเมทริกซ์ (โดยปกติคืออีพอกซี) ก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากเส้นใยนั้นไม่ค่อยได้ใช้ด้วยตัวเอง เมื่อสัมผัสกับความร้อน อีพอกซีเรซินจะนิ่มลงอย่างรวดเร็ว

5. การนำไฟฟ้า การนำไฟฟ้า

คาร์บอนไฟเบอร์นำไฟฟ้า แต่ Kevlar® และใยแก้วไม่นำไฟฟ้า Kevlar® ใช้สำหรับดึงสายไฟในเสาส่งสัญญาณ แม้ว่าจะไม่นำไฟฟ้า แต่ก็ดูดซับน้ำและน้ำก็นำไฟฟ้า ดังนั้นจึงต้องเคลือบเคฟล่ากันน้ำในการใช้งานดังกล่าว

เนื่องจากคาร์บอนไฟเบอร์สามารถนำไฟฟ้าได้ การกัดกร่อนของข้อต่อกัลวานิกจึงกลายเป็นปัญหาเมื่อสัมผัสกับชิ้นส่วนโลหะอื่นๆ

6. การย่อยสลายด้วยรังสียูวี

เส้นใยอะรามิดจะสลายตัวเมื่อถูกแสงแดดและสภาพแวดล้อมที่มีรังสียูวีสูง คาร์บอนหรือใยแก้วไม่ไวต่อรังสี UV มากนัก อย่างไรก็ตาม เมทริกซ์ที่ใช้กันทั่วไปบางชนิด เช่น อีพอกซีเรซิน จะถูกเก็บไว้ในแสงแดด ซึ่งจะทำให้ขาวขึ้นและสูญเสียความแข็งแรง เรซินโพลีเอสเตอร์และไวนิลเอสเทอร์ทนทานต่อรังสียูวีได้ดีกว่า แต่จะอ่อนกว่าอีพอกซีเรซิน

7. ความต้านทานต่อความเหนื่อยล้า

หากชิ้นส่วนงอและยืดให้ตรงซ้ำๆ ชิ้นงานจะล้มเหลวในที่สุดเนื่องจากความล้า คาร์บอนไฟเบอร์ค่อนข้างไวต่อความเหนื่อยล้าและมีแนวโน้มที่จะล้มเหลวอย่างรุนแรง ในขณะที่ Kevlar® ทนทานต่อความเหนื่อยล้าได้ดีกว่า ใยแก้วอยู่ระหว่างนั้น

8. ความต้านทานต่อการขัดถู

Kevlar® มีความทนทานต่อการเสียดสีสูง ซึ่งทำให้ตัดได้ยาก การใช้งานทั่วไปอย่างหนึ่งของ Kevlar® คือถุงมือป้องกันสำหรับพื้นที่ที่อาจบาดมือด้วยกระจกหรือใช้ใบมีดคม คาร์บอนและใยแก้วมีความทนทานน้อยกว่า

9. ทนต่อสารเคมี 

เส้นใยอะรามิดไวต่อกรดแก่ ด่าง และสารออกซิไดซ์บางชนิด (เช่น โซเดียมไฮโปคลอไรต์) ซึ่งอาจทำให้เส้นใยเสื่อมสภาพได้ สารฟอกขาวคลอรีนทั่วไป (เช่น Clorox®) และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ไม่สามารถใช้กับ Kevlar® ได้ สารฟอกขาวที่ใช้ออกซิเจน (เช่น โซเดียมเปอร์บอเรต) สามารถใช้ได้โดยไม่ทำลายเส้นใยอะรามิด

เส้นใยคาร์บอนมีความเสถียรมากและไม่ไวต่อการย่อยสลายทางเคมี อย่างไรก็ตามเมทริกซ์อีพ็อกซี่จะสลายตัว

10. คุณสมบัติการยึดเกาะของร่างกาย 

เพื่อให้คาร์บอนไฟเบอร์ Kevlar® และแก้วทำงานได้อย่างเหมาะสม จะต้องยึดพวกมันให้เข้าที่ในเมทริกซ์ (โดยปกติคืออีพอกซีเรซิน) ความสามารถของอีพอกซีเรซินในการยึดเกาะกับเส้นใยต่างๆ จึงเป็นสิ่งสำคัญ

ทั้งเส้นใยคาร์บอนและใยแก้วสามารถเกาะติดกับอีพอกซีได้ง่าย แต่พันธะอะรามิดไฟเบอร์-อีพอกซีไม่แข็งแรงเท่าที่ต้องการ และการยึดเกาะที่ลดลงนี้ทำให้น้ำซึมเข้าไปได้ ผลก็คือ ความง่ายในการที่เส้นใยอะรามิดสามารถดูดซับน้ำ ควบคู่ไปกับการยึดเกาะที่ไม่พึงประสงค์กับอีพอกซี หมายความว่าหากพื้นผิวของคอมโพสิต kevlar® ได้รับความเสียหายและน้ำอาจเข้าไปได้ Kevlar® อาจดูดซับน้ำไปตามเส้นใยและทำให้อ่อนตัวลง คอมโพสิต

11. สีและการทอ

อะรามิดเป็นสีทองอ่อนในสภาพธรรมชาติ สามารถลงสีได้ และตอนนี้มีเฉดสีที่สวยงามมากมาย ใยแก้วมีจำหน่ายในรุ่นสีด้วย คาร์บอนไฟเบอร์จะเป็นสีดำเสมอและสามารถผสมกับอะรามิดที่มีสีได้ แต่ไม่สามารถทำสีเองได้