芳纶和凯夫拉复合材料性能、优缺点和用途对比

Aramid/Kevlar 是一种具有特殊强度和极低重量的独特特性的材料。

尽管有时将其与碳纤维进行比较，但芳纶和碳纤维之间存在非常重要的区别。实际上，芳纶与碳纤维的区别不仅在于颜色——芳纶是黄色的，而碳纤维是黑色的。这两种材料都具有不同的特性，适合不同的行业需求。

本文分析了芳纶纤维复合材料的性能、优缺点，以及在不同行业和成品中的应用实例。

历史

芳纶是指以不同商业名称提供的特定材料。

杜邦是 60 年代第一家以注册商标 Kevlar 推出和制造芳纶的公司，自 1973 年以来一直在市场上销售。芳纶是由波兰血统的女性化学家 Stefania Kwolek 发现的，她进行了专注于低- 在轮胎制造中使用重量和异常坚固的材料代替尼龙。

如今，Kevlar 是所有芳纶复合材料中最著名的。

随着时间的推移，其他公司也开始生产，开始供应特性略有不同但主要性能相似的芳纶。

Aramid 由其他供应商以各种商业名称供应，包括：Dupont 供应的Nomex、日本 Teijin 供应的Twaron和Technora、韩国 Toray供应的 Arawin、韩国Heracron供应的Kolon，以及中国公司供应的其他一些。

Aramid/Kevlar 的特性是什么？

Kevlar 或 Nomex 形式的芳纶是指具有一些优点和缺点的结构材料。以下描述涵盖芳纶复合材料和芳纶干纤维的基本特性。

芳纶复合材料的优点

高抗冲击性和抗开裂性

芳纶具有非凡的抗冲击性， 并且在压力下不会开裂，因为它坚韧并且可以吸收大量能量。它广泛用于制造防弹背心、船、皮划艇，以及军用车辆部件的装甲。

由芳纶制成的复合材料的抗冲击性是碳纤维复合材料的 5 倍（测试落锤冲击）。这种对冲击或子弹的非凡抵抗力是由形成芳纶结构的长链原子造成的。
由于这些特性，这种材料被广泛用于军事目的，用于制造防弹背心和坦克装甲材料。

防弹背心由数十层芳纶（例如凯夫拉尔）组成的材料制成，并在层之间包括一块陶瓷板。一些装甲车辆（例如美国 M1 坦克）中使用的护盾是由其结构包括钢-芳纶 – 钢的材料制成的，以防止直径达 700 毫米的反坦克导弹。此外，除了对坦克本身的保护外，钢-芳纶-钢装甲盾还通过吸收穿透导弹产生的动能来保护乘员。

Kevlar 的另一个应用是波音​​ AH-64——配备有 Kevlar 旋翼的美军主要攻击直升机。Kevlar 可确保抵御直径达 23 毫米的子弹。

由于高抗冲击性，Kevlar 被广泛用于建造船只和皮划艇，例如为沃尔沃环球帆船赛设计的游艇船体，这是最艰巨的运动挑战之一。大多数用于水上运动的高性能皮划艇均由 Kevlar 或碳纤维/Kevlar 混合材料制成。

低密度/低重量

芳纶纤维具有极低的重量，这在复合材料的制造过程中是一个优势。

芳纶复合材料比碳纤维复合材料轻约 20%，碳纤维复合材料本身被认为非常轻。在复合材料中使用芳纶织物可提高抗冲击性和耐磨性，并减轻复合材料元件的重量。

芳纶纤维的密度约为 1.45 g/cm 3，而芳纶和环氧树脂的芳纶复合材料的密度约为 1.3 g/cm 3。该计算基于环氧树脂与硬化剂混​​合的密度约为 1.1 g/cm 3以及复合材料生产过程中采用的先进技术，即带有高压釜的预浸料。

为了比较被认为非常轻的碳纤维，它们具有碳复合材料的密度——碳纤维和环氧树脂相当于1.55 g/cm 3。

换句话说，芳纶纤维复合材料比碳纤维复合材料轻约 20%。

比较芳纶复合材料与金属的重量如何？
芳纶复合材料的密度为 1.3 g/cm 3。在铝的情况下，它是 2.7g/cm 3，钛是 4.5g/cm 3，钢是 7.9g/cm 3。
换句话说，芳纶复合材料比铝轻 2 倍，比钛轻 3 或 4 倍，比钢轻 6 倍。

中等刚度——填补玻璃纤维和碳纤维之间的空白

芳纶复合材料的刚度高于玻璃纤维复合材料，但明显低于碳纤维复合材料。
有许多类型的纤维，包括碳纤维和芳纶纤维——例如标准、中等和高模块，它们提供不同的刚度、强度和不同的价格。下表指定了特定纤维的刚度：玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。杨氏模量测量沿纵向进行。

不同复合纤维的刚度：

• 玻璃纤维织物——从 72 GPa（标准 E 玻璃）到 87 GPa（增强强度的 S 玻璃织物）。
• 碳纤维织物 – 从 230 GPa（用于制造复合材料的标准织物 – Toray T300）到 590 GPa（HM 级 Toray M60J）。
• 芳纶纤维织物 – 从 96 GPa（用于复合材料的标准芳纶织物 – 即 Kevlar 129）到 – 186 GPa（芳纶织物，即用于飞机/航空航天工业的 Kevlar 149）。

综上所述，我们可以得出结论，由标准织物制成的芳纶复合材料的刚度比玻璃纤维复合材料高约 30-40% ，而与碳纤维复合材料相比，其性能明显受限——其刚度比碳纤维复合材料低 50%。

低热膨胀

芳纶在暴露于几乎为零的高温下非常稳定，热膨胀系数略为负，相当于 (-2.4 x 10-6/°C)。

非导电

芳纶是良好的绝缘体，不导电。

耐磨性

芳纶复合材料广泛用于易磨损的零件和组件，例如保护赛车发动机的防滑板。
芳纶通常被采掘业（例如采矿业）用于加固传送带橡胶带，并确保更高的强度和耐磨性，据 Kevlar 制造商称，这可能会提高 50-70%。
由于这些特性，该材料可用于复合材料以及工作服，例如使用芳纶织物的防切割安全手套，例如 Twaron 或 Kevlar。

振动吸收

芳纶复合材料的一个特殊性能与振动吸收有关，因此芳纶用于制造暴露于振动的部件，例如飞机结构部件。

低介电常数

芳纶复合材料具有约 3.85 (10 GHz) 的低介电常数，可确保信号穿透芳纶保护外壳/天线罩的良好性能和强度。这种类型的天线广泛用于军事目的，例如在军用飞机上。芳纶外壳/天线罩可保护天线免受损坏并确保良好的信号性能。

相比之下，E-玻璃纤维复合材料的介电常数对应于 6.1 (10 GHz)，从而导致天线信号功率和性能降低 60%。除芳纶外，还使用石英织物，其介电常数为 3.78 (10 GHz)。

与其他织物一起使用并创建混合复合材料

芳纶织物可根据要求修改参数，用于碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，为复合材料产品供应商提供了多种可能。
对于碳纤维复合材料，您可以通过添加几层芳纶织物来提高抗冲击性。

由织物组合制成的混合复合材料，即 50% 的碳纤维和 50% 的芳纶纤维，与仅由碳纤维制成的复合材料相比，抗冲击性提高了 100-125%。
其他应用示例是在钻孔后的位置提供几层芳纶，以确保加固并降低操作期间或由于振动导致孔周围复合材料损坏/开裂的风险。

芳纶复合材料的缺点

吸水/吸湿性

芳纶纤维具有相对较高的吸湿性（高达其重量的 6%），因此芳纶复合材料需要得到适当的保护——通常使用面漆来降低吸湿性。此外，在与水接触的复合材料的情况下，使用某些类型的芳纶，其吸水性会降低，例如 Kevlar 149 或 Armos。

有趣的是，标准芳纶织物具有如此高的吸水性，这些特性可防止燃烧和烫伤。这种材料在烟火表演中经常使用，当它被石蜡浸泡时。由于其独特的性能，芳纶确保石蜡的吸收，但在燃烧过程中不会降解，并且耐高温。

为了提高芳纶复合材料顶面的抗潮性和抗微裂性，通常会添加一层玻璃织物以改善面漆的粘合力，并促进未来的任何面漆修复。

难处理加工

芳纶纤维难以切割。因此，包括芳纶织物在内的复合材料的生产过程可以证明是一个非常苛刻的过程。因此，很难切割干燥的芳纶织物和由芳纶织物和例如环氧树脂制成的成品芳纶复合材料。

使用为此目的设计的激光或特殊切割机可以切割干燥的织物。使用水射流切割或带有特殊设计的硬质合金刀具或金刚石刀具的刀具可以切割成品芳纶复合材料。请注意，使用刀具会导致复合边缘轻微磨损。

在芳纶复合材料的生产过程中，早在设计阶段，就进行了一些更改和修改，以适当地调整模具并减少脱模后所需的切削量。有时，在需要切割的地方，提供包括混合织物的层，即包括碳纤维（50%）和芳纶纤维（50%）的层。

与玻璃纤维或碳纤维相比，芳纶纤维具有适度的粘合性和适度的树脂渗透。因此，对于芳纶复合材料的生产，建议使用环氧树脂，以提供更好的芳纶织物层粘合性能。

紫外线相关降解

芳纶纤维对紫外线的抵抗力很差。
紫外线辐射（阳光）会导致芳纶纤维降解。因此需要保护，可以是面漆或材料层，例如芳纶线通常被封闭在保护层中。

高成本

芳纶是一种昂贵的材料，价格与碳纤维相近。因此，它用于需要非凡的抗冲击/耐磨性以及成品重量轻的特定用途。实际上，用于生产复合材料的 1 平方米重量为 200 g/m 2的成品预浸料约为每平方米 30-40 欧元。

抗压强度低

芳纶纤维的抗压强度低于玻璃纤维或碳纤维，因此混合织物广泛用于承受高压缩力的部件，例如芳纶和碳纤维组合的结构。

芳纶用途

在实践中，芳纶有很多应用。这里有些例子：

芳纶在复合材料中的应用——芳纶复合材料：

• 防弹背心。
• 赛车运动和易受磨损/冲击的部件的保护——例如轮罩、防滑板。
• 飞机机身（通常是碳-凯夫拉尔混合材料）、旋翼、镀层。
• 飞机行李舱。
• 具有特定介电特性的军用飞机天线罩。
• 冲浪板。
• 皮划艇。
• 船体。
• LPG 气瓶——重量比钢瓶轻 70%，与碳纤维相比，抗冲击能力更强——例如 Low8。

芳纶在干织物中的用途：

• 防护服——包括阻燃服，如军服（例如 a2cu）、消防服或为 F1 和 NASCAR 设计的服装（主要是 Nomex）。
• 防割安全手套。
• 橡胶部件加固，例如同步带。
• 轮胎加固。
• 绳索。
• 带有芳纶纤维衬里的光缆，可防止开裂并防止瞬间与火接触。
• 帆布。
• 鼓手。
• 芳纶纸用于蜂窝。

总结
芳纶在抗冲击、抗磨损、抗切割和超低重量（比碳纤维低 20%）方面具有非凡的性能和性能。同时这种材料也表现出一些缺点，例如难以处理和加工或吸湿。