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

Đặc tính vật liệu sợi gia cường 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 giòn bị biến dạng trước khi vỡ, nhưng Sợi Kevlar ® (aramid), sợi carbon và Sợi thủy tinh điện tử rất dễ vỡ và ít bị biến dạng. Độ bền kéo được đo bằng lực trên một đơn vị diện tích (Pa hoặc Pascals).

Ứng suất là lực và biến dạng là độ võng do ứng suất. Bảng dưới đây cho thấy sự so sánh độ bền kéo của ba loại sợi gia cố thường được sử dụng: sợi carbon, sợi aramid, sợi thủy tinh và nhựa epoxy. Điều đáng chú ý là những số liệu này chỉ mang tính chất so sánh và chúng có thể thay đổi theo quy trình sản xuất, thành phần của nhựa epoxy, công thức của aramid, tiền chất của sợi cacbon, v.v., và được biểu thị bằng MPa.

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

Khi so sánh mật độ của ba vật liệu, có thể thấy sự khác biệt đáng kể giữa ba loại sợi. Nếu ba mẫu có cùng kích thước và trọng lượng được tạo ra, thì nhanh chóng thấy rõ rằng sợi Kevlar® nhẹ hơn nhiều, tiếp theo là sợi carbon và sợi thủy tinh E nặng nhất. Do đó, với cùng trọng lượng của composite, có thể đạt được độ bền cao hơn bằng sợi carbon hoặc Kevlar®. Nói cách khác, bất kỳ cấu trúc nào làm từ sợi carbon hoặc vật liệu tổng hợp Kevlar® yêu cầu độ bền nhất định đều nhỏ hơn hoặc mỏng hơn cấu trúc làm từ sợi thủy tinh. Sau khi tạo mẫu và thử nghiệm, người ta thấy rằng vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh nặng gần gấp đôi so với vật liệu sợi Kevlar® hoặc sợi carbon. Điều này có nghĩa là có thể giảm được rất nhiều trọng lượng bằng cách sử dụng Kevlar® hoặc sợi carbon. Đặc tính này được gọi là tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng.

3. Môđun Young Môđun Young

Mô đun Young là thước đo độ cứng của vật liệu đàn hồi và là cách mô tả vật liệu. Nó được định nghĩa là tỷ lệ giữa ứng suất một trục (theo một hướng) và biến dạng một trục (biến dạng theo cùng một hướng). Mô đun Young = ứng suất/biến dạng, có nghĩa là vật liệu có mô đun Young cao sẽ cứng hơn vật liệu có mô đun Young thấp.

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

4. Tính dễ cháy và giải thích nhiệt

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

Sợi carbon và Kevlar® được sử dụng để làm chăn hoặc quần áo bảo hộ chữa cháy hoặc hàn. Găng tay kevlar thường được sử dụng trong ngành chế biến thịt để bảo vệ tay khi sử dụng dao. Khả năng chịu nhiệt của nền (thường là epoxy) cũng rất quan trọng vì sợi hiếm khi được sử dụng riêng lẻ. Khi tiếp xúc với nhiệt, nhựa epoxy mềm đi nhanh chóng.

5. Độ dẫn điện, độ dẫn điện

Sợi carbon dẫn điện, nhưng Kevlar® và sợi thủy tinh thì không.Kevlar® được sử dụng để kéo dây trong tháp truyền tải. Tuy không dẫn điện nhưng nó hút nước và dẫn điện. Vì vậy, một lớp phủ chống thấm phải được áp dụng cho Kevlar trong những ứng dụng như vậy.

Vì sợi carbon có thể dẫn điện nên hiện tượng ăn mòn khớp nối điện trở thành vấn đề khi nó tiếp xúc với các bộ phận kim loại khác.

6. Suy thoái tia cực tím

Sợi aramid sẽ bị phân hủy dưới ánh nắng mặt trời và môi trường có tia UV cao. Sợi carbon hoặc sợi thủy tinh không nhạy cảm lắm với bức xạ UV. Tuy nhiên, một số chất nền thường được sử dụng như nhựa epoxy bị giữ lại dưới ánh sáng mặt trời, nơi nó sẽ bị trắng và mất độ bền. Nhựa polyester và vinyl ester có khả năng chống tia cực tím cao hơn nhưng yếu hơn nhựa epoxy.

7. Chống mỏi

Nếu một bộ phận bị uốn cong và duỗi thẳng liên tục, cuối cùng nó sẽ bị hỏng do mỏi. Sợi carbon hơi nhạy cảm với độ mỏi và có xu hướng hư hỏng nghiêm trọng, trong khi Kevlar® có khả năng chống mỏi cao hơn. Sợi thủy tinh nằm ở đâu đó ở giữa.

8. Chống mài mòn

Kevlar® có khả năng chống mài mòn cao nên khó cắt. một trong những ứng dụng phổ biến của Kevlar® là làm găng tay bảo hộ cho những khu vực mà tay có thể bị thủy tinh cắt vào tay hoặc nơi sử dụng lưỡi dao sắc. Sợi carbon và sợi thủy tinh có khả năng chịu lực kém hơn.

9. Kháng hóa chất 

Sợi aramid nhạy cảm với axit mạnh, kiềm và một số chất oxy hóa nhất định (ví dụ natri hypoclorit), có thể gây thoái hóa sợi. Không thể sử dụng các chất tẩy clo thông thường (ví dụ Clorox®) và hydro peroxide với Kevlar®. Chất tẩy oxy (ví dụ natri perborate) có thể được sử dụng mà không làm hỏng sợi aramid.

Sợi carbon rất ổn định và không nhạy cảm với sự phân hủy hóa học. Tuy nhiên, nền epoxy sẽ xuống cấp.

10. Đặc tính liên kết cơ thể 

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

Cả sợi carbon và sợi thủy tinh đều có thể dễ dàng bám vào epoxy, nhưng liên kết sợi aramid-epoxy không mạnh như mong muốn và độ bám dính giảm này cho phép nước thấm vào. Kết quả là, sợi aramid có thể hấp thụ nước dễ dàng, cùng với độ bám dính không mong muốn với epoxy, có nghĩa là nếu bề mặt của hỗn hợp kevlar® bị hư hỏng và nước có thể xâm nhập, thì Kevlar® có thể hấp thụ nước dọc theo sợi và làm suy yếu chúng. sự tổng hợp.

11. Màu sắc và kiểu dệt

Aramid có màu vàng nhạt ở trạng thái tự nhiên, nó có thể được nhuộm màu và hiện 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 pha trộn với aramid màu, nhưng bản thân nó không thể có màu.