Какой материал лучше, углеродное волокно, стекловолокно или арамид?
Значительные различия в трех волокнах можно увидеть при сравнении плотностей трех материалов. Если вы сделаете 3 образца одинакового размера и веса, быстро станет очевидным, что волокно Kevlar® намного легче, за ним следует углеродное волокно, а волокно из E-стекла является самым тяжелым.
Следовательно, при том же весе композитного материала углеродное волокно или кевлар® могут обеспечить более высокую прочность. Другими словами, любая структура, требующая заданной прочности, изготовленная из углеродного волокна или композитов Kevlar®, будет меньше или тоньше, чем конструкция, изготовленная из стекловолокна.
Когда образцы были изготовлены и испытаны, выяснилось, что композит из стекловолокна почти в два раза тяжелее ламината из кевлара или углеродного волокна. Это означает, что использование Kevlar® или углеродного волокна может значительно снизить вес.
Модуль Юнга является мерой жесткости эластичного 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 материал с высоким модулем Юнга тверже, чем материал с более низким модулем Юнга.
Углеродное волокно, кевлар® и стекловолокно сильно различаются по жесткости. 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 имеет тенденцию быть более хрупким. Когда он выходит из строя, он, как правило, не проявляет большого напряжения или деформации.
3. Воспламеняемость и термическое разложение
И кевлар®, и углеродное волокно устойчивы к высоким температурам и не имеют температуры плавления. Оба материала использовались в защитной одежде и огнестойких тканях. Стекловолокно со временем расплавится, но также обладает высокой устойчивостью к высоким температурам. Конечно, использование в зданиях матового стеклопластика также повышает огнестойкость.
Углеродное волокно и кевлар® используются для изготовления защитных одеял или одежды для пожаротушения или сварки. Кевларовые перчатки обычно используются в мясной промышленности для защиты рук при работе с ножами. Так как волокна редко используются поодиночке, важна и термостойкость матрицы (обычно эпоксидной смолы). Эпоксидные смолы быстро размягчаются при нагревании.
4. Проводимость
Углеродное волокно проводит электричество, а кевлар® и стекловолокно — нет. Кевлар® используется для растяжек опор ЛЭП. Хотя он не проводит электричество, он поглощает воду, а вода проводит электричество. Поэтому в таких случаях поверх кевлара необходимо наносить водонепроницаемое покрытие.
Поскольку углеродное волокно проводит электричество, гальваническая коррозия становится проблемой при контакте с другими металлическими частями.
5. УФ-деградация
Арамидные волокна разрушаются под воздействием солнечного света и сильного УФ-излучения. Углеродные или стеклянные волокна не очень чувствительны к УФ-излучению. Однако некоторые широко используемые подложки, такие как эпоксидная смола, будут белеть и терять прочность, если их оставить на солнечном свете. Полиэфирные и винилэфирные смолы более устойчивы к ультрафиолетовым лучам, но слабее, чем эпоксидные смолы.
6. Анти-усталость
Если деталь многократно 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 катастрофическим отказам, тогда как кевлар® более устойчив к усталости. Стекловолокно находится где-то посередине.
7. Износостойкость
Кевлар® очень устойчив к истиранию, что затрудняет его резку. Одним из распространенных применений Kevlar® являются защитные перчатки в местах, где руки могут быть порезаны стеклом или где используются острые лезвия. Углеродное волокно и стекловолокно менее устойчивы.
8. Химическая стойкость
Арамидные волокна чувствительны к сильным кислотам, сильным основаниям и некоторым окислителям, таким как гипохлорит натрия, которые могут вызвать разрушение волокна. Обычные отбеливатели на основе хлора (такие как Clorox®) и перекись водорода нельзя использовать с Kevlar®, можно использовать кислородные отбеливатели (такие как перборат натрия), не повреждая арамидные волокна.
Углеродные волокна очень стабильны и нечувствительны к химическому разложению. Однако эпоксидная матрица будет разрушаться.
9. Характеристики склеивания матрицы
Чтобы углеродное волокно, кевлар® и стекло работали оптимально, они должны удерживаться на месте в матрице, обычно эпоксидной. Поэтому способность эпоксидных смол связываться с различными волокнами имеет решающее значение.
Как углеродные, так и стеклянные волокна легко прилипают к эпоксидной смоле, но связь арамидного волокна с эпоксидной смолой не такая прочная, как хотелось бы, и эта сниженная адгезия допускает проникновение воды. В результате арамидные волокна имеют тенденцию поглощать воду, что в сочетании с далеко не идеальной адгезией к эпоксидной смоле означает, что если поверхность композита Kevlar® повреждена и внутрь может попасть вода, то Kevlar® может поглощать влагу вдоль волокон. и ослабить композитный материал.
