Ưu điểm và nhược điểm của Kevlar, sợi carbon và sợi thủy tinh

Thuộc tính vật liệu sợi gia cố PK

1 Độ bền kéo

Độ bền kéo là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi kéo dài. Một số vật liệu không phải là chất liệu không bị biến dạng trước khi phá vỡ, nhưng Sợi Kevlar ® (Aramid), Sợi carbon và Sợi thủy tinh E rất dễ vỡ và bị gãy với ít biến dạng. Độ bền kéo được đo là lực trên một đơn vị diện tích (PA hoặc Pascals).

Căng thẳng là lực và căng thẳng là độ lệch do căng thẳng. Bảng dưới đây cho thấy sự so sánh độ bền kéo của ba sợi gia cố thường được sử dụng: sợi carbon, sợi aramid, sợi thủy tinh và nhựa epoxy. Điều đáng chú ý là những con số này chỉ để so sánh và chúng có thể thay đổi theo quy trình sản xuất, thành phần của nhựa epoxy, công thức của aramid, sợi tiền chất của sợi carbon, v.v., và được thể hiện trong MPA.

2. Mật độ và tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng

Khi so sánh mật độ của ba vật liệu, có thể nhìn thấy sự khác biệt đáng kể giữa ba sợi. Nếu ba mẫu có cùng kích thước và trọng lượng được tạo ra, thì nhanh chóng trở nên rõ ràng rằng các sợi Kevlar® nhẹ hơn nhiều, với các sợi carbon đứng thứ hai và sợi thủy tinh điện tử nặng nhất. Do đó, đối với cùng trọng lượng của composite, cường độ cao hơn có thể thu được bằng sợi carbon hoặc Kevlar®. Nói cách khác, bất kỳ cấu trúc nào được làm từ vật liệu tổng hợp bằng sợi carbon hoặc Kevlar® đòi hỏi một cường độ nhất định là nhỏ hơn hoặc mỏng hơn so với một loại được làm từ sợi thủy tinh. Sau khi các mẫu đã được thực hiện và thử nghiệm, người ta sẽ thấy rằng vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh nặng gần gấp đôi so với Kevlar® hoặc các lớp sợi carbon. Điều này có nghĩa là rất nhiều trọng lượng có thể được tiết kiệm bằng cách sử dụng Kevlar® hoặc sợi carbon. Tài sản này được gọi là tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng.

3. Mô đun của Young Modulus Young

Mô đun của Young là thước đo độ cứng của vật liệu đàn hồi và là một cách mô tả một vật liệu. Nó được định nghĩa là tỷ lệ ứng suất đơn phương (theo một hướng) với chủng đơn phương (biến dạng theo cùng một hướng). Modulus của Young = căng thẳng/biến dạng, có nghĩa là các vật liệu có mô đun trẻ của một người trẻ tuổi cứng hơn so với những người có mô đun Young thấp.

Độ cứng của sợi carbon, Kevlar® và sợi thủy tinh thay đổi đáng kể. Sợi carbon cứng gấp đôi so với sợi aramid và năm lần cứng hơn sợi thủy tinh. Nhược điểm của độ cứng tuyệt vời của sợi carbon là nó có xu hướng giòn hơn. Khi nó thất bại, nó có xu hướng không thể hiện nhiều căng thẳng hoặc biến dạng.

4. Tính dễ cháy và giải thích nhiệt

Cả Kevlar® và sợi carbon đều có khả năng chống nhiệt độ cao và không có điểm nóng chảy. Cả hai vật liệu đã được sử dụng trong quần áo bảo vệ và vải chống cháy. Sợi thủy tinh cuối cùng sẽ tan chảy, nhưng cũng có khả năng kháng nhiệt độ cao cao. Tất nhiên, sợi thủy tinh mờ được sử dụng trong các tòa nhà cũng có thể làm tăng khả năng chống cháy.

Sợi carbon và Kevlar® được sử dụng để chế tạo chăn chữa cháy hoặc hàn bảo vệ hoặc quần áo. Găng tay Kevlar thường được sử dụng trong ngành công nghiệp thịt để bảo vệ bàn tay khi sử dụng dao. Điện trở nhiệt của ma trận (thường là epoxy) cũng rất quan trọng vì các sợi hiếm khi được sử dụng trên chính chúng. Khi tiếp xúc với nhiệt, nhựa epoxy mềm nhanh.

5. Độ dẫn điện, độ dẫn điện

Sợi carbon dẫn điện, nhưng Kevlar® và sợi thủy tinh không.KEVLAR® được sử dụng để kéo dây trong các tháp truyền. Mặc dù nó không dẫn điện, nhưng nó hấp thụ nước và nước dẫn điện. Do đó, một lớp phủ chống thấm phải được áp dụng cho Kevlar trong các ứng dụng như vậy.

Bởi vì sợi carbon có thể dẫn điện, ăn mòn khớp nối điện trở thành một vấn đề khi nó tiếp xúc với các bộ phận kim loại khác.

6. Suy thoái UV

Sợi Aramid sẽ xuống cấp trong môi trường UV và UV cao. Sợi carbon hoặc thủy tinh không nhạy cảm với bức xạ UV. Tuy nhiên, một số ma trận thường được sử dụng như nhựa epoxy được giữ lại dưới ánh sáng mặt trời, nơi nó sẽ làm trắng và mất sức mạnh. Nhựa polyester và vinyl este có khả năng chống UV hơn, nhưng yếu hơn nhựa epoxy.

7. Kháng mỏi

Nếu một phần được lặp đi lặp lại và thẳng thắn, cuối cùng nó sẽ thất bại do mệt mỏi. Sợi carbon có phần nhạy cảm với mệt mỏi và có xu hướng thất bại thảm hại, trong khi Kevlar® có khả năng chống mệt mỏi hơn. Sợi thủy tinh ở đâu đó ở giữa.

8. Kháng mài mòn

Kevlar® có khả năng chống mài mòn cao, điều này gây khó khăn cho việc cắt giảm. Một trong những cách sử dụng phổ biến của Kevlar® là găng tay bảo vệ cho các khu vực có thể được cắt bằng kính hoặc nơi sử dụng lưỡi dao. Sợi carbon và thủy tinh ít kháng thuốc hơn.

9. Kháng hóa chất 

Sợi aramid rất nhạy cảm với các axit mạnh, kiềm và các chất oxy hóa nhất định (ví dụ như natri hypochlorite), có thể gây ra sự thoái hóa sợi. Bleaches clo thông thường (EG Clorox®) và hydro peroxide không thể được sử dụng với Kevlar®. Có thể sử dụng thuốc tẩy oxy (ví dụ như natri perborate) mà không làm hỏng sợi aramid.

Sợi carbon rất ổn định và không nhạy cảm với sự thoái hóa hóa học. Tuy nhiên, ma trận epoxy sẽ xuống cấp.

10. Tính chất liên kết cơ thể 

Để các sợi carbon, Kevlar® và thủy tinh hoạt động tối ưu, chúng phải được giữ tại chỗ trong ma trận (thường là nhựa epoxy). Do đó, khả năng của nhựa epoxy liên kết với các sợi khác nhau là rất quan trọng.

Cả hai sợi carbon và thủy tinh đều có thể dễ dàng dính vào epoxy, nhưng liên kết aramid-epoxy không mạnh như mong muốn và độ bám dính giảm này cho phép xảy ra sự xâm nhập của nước. Do đó, sự dễ dàng mà các sợi aramid có thể hấp thụ nước, kết hợp với độ bám dính không mong muốn với epoxy, có nghĩa là nếu bề mặt của hỗn hợp Kevlar® bị hỏng và nước có thể xâm nhập, thì Kevlar® có thể hấp thụ nước dọc theo sợi và làm suy yếu.

11. Màu sắc và dệt

Aramid là vàng nhạt ở trạng thái tự nhiên của nó, nó có thể được tô màu và bây giờ có nhiều sắc thái đẹp. Sợi thủy tinh cũng có sẵn trong các phiên bản màu. Sợi carbon luôn có màu đen và có thể được trộn với aramid màu, nhưng nó không thể được tô màu.