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碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔的性能综合对比

目前复合材料中使用的增强材料主要有三种类型:碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔(芳纶)。当用于复合材料时,增强材料定义了性能标准,并负责在设计结构中承载负载。(树脂负责将载荷转移到纤维上。)简而言之,钢筋选择是设计过程中不可或缺的一部分。

复合增强材料:碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔

碳纤维

众所周知,碳纤维因其高拉伸强度、低密度、高刚性和导热性而成为航空航天和工业应用的首选。事实上,与 Kevlar 或玻璃纤维选项相比,碳纤维的材料强度最高。它在强度、重量和刚度类别方面超过了可比较的增强材料。出于这个原因,它取代了以前使用铝或钛的航空部件中的合金。碳纤维复合材料擅长在施加载荷时保持尺寸公差。

尽管这些特性非常好,但这也会导致碳纤维层压板在超过最大值时突然断裂或分裂。然而,碳纤维不能很好地吸收能量,因为它会将能量沿着其纤维转移到其他来源。这取决于应用程序的好坏。碳纤维最好与环氧树脂一起使用,以实现其最大性能。尽管制造不需要特殊的工具和工艺,但真空设备将大大提高碳纤维的层压板质量。

常见应用:高性能飞机和航空航天结构、无人机、骨架油管、扰流板、船、体育用品(球拍、球杆、球棒、棍棒、箭、自行车)加强筋、赛车零件、高端汽车面板、电子产品、医学成像、音乐设备、钓鱼竿和组件

优点需要注意什么:
最高抗拉/抗压强度 最高强度重量比最刚性低热膨胀系数高 EMI 屏蔽性能成本高 对与 CFRP 接触的金属具有腐蚀性突然断裂导电的低冲击强度

玻璃纤维

玻璃纤维是当今复合材料中最常用的织物类型。玻璃纤维的低成本和整体强大的物理特性使其成为具有经济头脑的爱好者和专业人士的工作马。玻璃纤维在人类已知的几乎所有行业都有足迹。玻璃纤维复合材料仍将产生坚固、重量轻的部件,可用于最广泛的应用。当今复合材料中使用了两种主要类型的玻璃纤维。在最初使用玻璃纤维时,E-Glass 是用于电气用途的,因为它是不导电的。这种更便宜的选择在当今的许多应用中得到广泛使用,但不仅限于,用作将碳纤维部件二次粘合到金属部件的界面。

复合增强材料:碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔

S-Glass 是强化玻璃纤维的象征。它具有约 20% 的强度特性,更硬且更耐冲击。虽然与 E-Glass 相比成本更高,但它可能会
根据应用或结构需求提供更好的性价比。

通常,两种类型的玻璃都用于结构中。众所周知,S 玻璃非常适合用于结构的外层,因为它为结构提供了刚性和强度。然后,E-玻璃增强复合材料并为复合材料提供能量吸收。玻璃纤维可用于所有热固性树脂应用。(聚酯/乙烯基酯/环氧树脂)

常见应用:船、绝缘材料、汽车零件、水池、滑水道、管道、冷却塔、防滑表面处理、航空航天、钓鱼竿、压力容器

优点需要注意什么:
最佳性价比 高抗拉强度高能量吸收不同模式的高可用性广泛使用,高知识库耐化学性和防潮性最广泛的树脂类型电绝缘最低强度重量比 强度比 CF 低不如 CF 和 Kevlar 刚性

凯夫拉尔

Kevlar 是复合材料行业广泛使用的最轻、最坚韧的织物类型。今天,它仅用作防弹背心、抗冲击和防割安全设备中的织物,并用作阻燃剂。Kevlar 在用作织物或复合材料之间具有最大的优势。在复合形式中,凯夫拉尔用于生产与其他纤维相比具有最佳抗冲击和耐磨特性的结构。Kevlar 填补了玻璃纤维和碳纤维之间的刚度空白,同时提供高强度增强。除非使用正确的工具,否则 Kevlar 可能难以切割和加工。Kevlar 复合材料部件几乎总是涂漆,因为当暴露在紫外线辐射和阳光下时,它们会随着时间的推移而退化。

复合增强材料:碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔

常见应用:高性能飞机和航空航天结构、防弹衣、冲浪板、赛车运动保护、皮划艇、独木舟和压力容器、船体横梁、汽车车身零件

优点需要注意什么:
最轻的重量/密度 最高韧性最高能量吸收(+振动)最高的抗冲击性最高抗裂性高强度重量比耐化学性高水平的可操作性抗压强度低 纤维吸水 (~3.5%)成本高加工/切割/准备的最大挑战抗紫外线能力差

比较选项

所有复合增强材料都有明显的优缺点。即使有了上述信息,复合材料的选择仍然很棘手。但是,没有什么可以说组件或结构不能拥有所有材料中最好的。以皮划艇为例。使用 Kevlar 作为材料将产生重量轻、吸收能量的皮划艇。但是,一旦撞到岩石上导致压缩损坏,它可能不是很耐用。在外部使用 S-Glass 玻璃纤维层,用一层 E-Glass 加固,可以对皮划艇的使用寿命产生巨大影响。在内层使用 Kevlar 的轻质优势可能会产生有史以来最好的皮划艇。单独的碳纤维皮划艇将减轻重量,因为强度重量比是最好的,并提供了一种设计高刚性和坚固船体的方法。皮划艇最终将非常昂贵,并且仍然可能无法提供长寿命所需的抗冲击性和抗疲劳性。还制造了使用 CF/FG 和 Kevlar/CF 的混合材料。使用 Kevlar/CF 混合材料可以生产出一种轻量级的皮划艇,该皮划艇利用了两种材料的优势,既坚硬又能吸收能量。

复合材料的整体美在于可以有上千种不同的方法来实现一个目标。复合材料为世界提供了一个机会,可以利用无穷无尽的编织、纤维、纱线、斜纹织物和树脂来利用创造力来解决问题。

表征碳纤维凯夫拉尔玻璃纤维
成本1310
抗拉强度1087
强度重量比1095
抗压强度1036
刚性1066
抗疲劳6108
耐磨性7107
加工7610
导电的是的
对金属有腐蚀性是的
耐热性101010
防潮10510
耐化学性10710
抗紫外线是的是的

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