用于造船复合材料的碳纤维、Kevlar®（芳纶）和 E 玻璃的比较

环氧树脂

如果不引入环氧树脂，就不能谈论复合纤维。尽管增强纤维用于许多应用，但如果您是造船者，环氧树脂是您将要处理的基材。环氧树脂用于粘合正在使用的任何增强纤维并将它们锁定在适当的位置，以便它们可以保持在适当的位置以完成工作。

纤维增强结构通常使纤维在特定方向上运行，以将增强物集中在需要的地方，环氧树脂将纤维保持在需要的地方。尽管环氧树脂基体的主要目的是粘附并将载荷转移到纤维上，但它本身就是一种坚固的材料。它有助于保护纤维免受损坏并提供抗冲击性。

聚环氧化物或众所周知的环氧树脂是一种热固性网络聚合物，当环氧树脂与多胺硬化剂反应时形成。所得环氧树脂聚合物高度交联（网络化），因此坚固、坚硬和坚硬。它也有点脆。

环氧树脂的应用范围很广，包括纤维增强塑料材料、通用粘合剂和强化学抗性涂料和饰面。

尽管如果表面粗糙，环氧树脂会机械结合，但迄今为止最强的结合是与其增强纤维的离子结合。这就是为什么不是所有的纤维都适合作为环氧树脂复合材料。环氧树脂根本不会粘在所有东西上。

环氧树脂已被证明是一种相对安全的材料。与环氧树脂使用相关的主要风险是对硬化剂的敏感性，这可能导致严重的过敏反应，甚至可能在几天后发生。这可能成为敏感个体的哮喘。环氧树脂中使用的双酚 A 是一种已知的内分泌干扰物。

戴手套工作总是更好地保护自己，至少有一个通风良好的区域。如果您有对化学品产生反应的倾向，呼吸器会很有帮助。

固化环氧树脂非常耐腐蚀，但如果暴露在紫外线下会降解。表面变得白垩并失去强度。因此，它需要涂上防紫外线涂层。当暴露于较高温度时，环氧树脂强度会降低。超过 350 °F (177 °C)。

抗拉强度

比较E 玻璃、碳纤维和 Kevlar®（芳纶）的拉伸强度 MPa

注：这些数字仅供比较。它们会随着制造工艺、环氧树脂的成分、芳纶的配方、碳纤维的前体纤维而变化。单位为 MPa

碳纤维、Kevlar® 和玻璃的拉伸强度相似。这对很多人来说都是一个惊喜。

在进行比较时，重要的是要注意每种材料在制造工艺、前体材料和后处理方面存在差异。这些都会影响实力。给出的数据仅供比较，本文给出的数据主要来自维基百科和制造公司的规格表。

最后，如果拉伸强度是您唯一关心的问题，那就省钱并使用电子玻璃。

密度和强度重量比

碳纤维、Kevlar 和 E 玻璃的单位体积重量或密度

材料越密集，对于相同大小的块，感觉就越重。

当我们比较我们 3 种材料的密度时，我们看到了显着差异。如果您制作 3 个尺寸和重量完全相同的样品，您很快就会发现 Kevlar® 纤维要轻得多，其次是碳纤维，而 E 玻璃是最重的。因此，对于相同重量的复合材料，我们会获得更大的强度。

换句话说，任何我们需要给定强度的结构，如果由碳纤维或 Kevlar® 复合材料制成，则可以比由玻璃制成的更小或更薄。

制作样品并进行测试后，您会发现玻璃复合材料的重量几乎是 Kevlar® 或碳纤维层压板的两倍。换句话说，获得与玻璃样品相同的强度需要一半的碳或芳纶纤维。使用 Kevlar® 或碳纤维可以减轻很多重量。这种性质称为强度重量比。

在纤维方向进行单向测试时，Kevlar®（芳纶）和碳纤维具有较高的强度重量比，而 e 玻璃的强度重量比较低。玻璃的含量仍然很高，只是不如 Kevlar® 或 Carbon 好。单位为 kN.m/kg。N代表牛顿

Kevlar、碳纤维和玻璃纤维的压缩强度比较

碳纤维和玻璃在压缩时的强度和刚度仅略低于拉伸时的强度，而 Kevlar® 在压缩时的刚度和强度要低得多。事实上，在某些测试中，Kevlar® 在树脂基体之前就失效了。根据罗文大学的研究人员的 pdf 文件， “Kevlar® 的抗压强度是其极限抗拉强度的 1/10”。再次将此图视为相对的，因为有许多变化，但它显示了 Kevlar® 的显着特征，为世界各地的 Kayak 和造船者所熟知。Kevlar® 很坚固，但不喜欢被侧面撞击，这会导致压缩应变，并且通常会出现裂缝。

弹性模量

比较E 玻璃、碳纤维和 Kevlar®（芳纶）的弹性模量

再一次，不要看他们可能有很大差异的确切数字。不过，它们对于比较很有用。以 GPascal 表示

碳纤维、Kevlar® 和玻璃的刚度非常不同。碳纤维是迄今为止最坚硬的复合材料。

此处提供的实际数字仅供比较。重要的是，碳纤维的硬度大约是凯夫拉纤维的两倍，大约是玻璃的 5 倍。

凯夫拉纤维、玻璃纤维和碳纤维有很多种，它们都各不相同。这里的确切数字几乎​​毫无意义，重要的是相对刚度。

碳纤维出色刚度的缺点是它往往更脆。当它失败时，它往往会失败而不会表现出太大的应变或变形。有人谈到灾难性的失败。

可燃性和热降解

Kevlar® 和碳纤维均耐高温。两者都没有熔点。这两种材料都已用于防护服和靠近火源的织物。

玻璃最终会熔化，但也非常耐高温。出于这个原因，玻璃纤维有时用于防火很重要的区域的窗帘。消光玻璃纤维当然用于建筑物以提高耐火性。碳纤维和 Kevlar® 用于制造消防保护或焊接毯或衣服。凯夫拉手套常用于肉类行业，用于在使用刀具时保护双手。

由于纤维很少单独使用，因此基质（通常是环氧树脂）的耐热性也很重要。环氧树脂在受热时会迅速软化。

电导率

虽然碳纤维绝对是导电的，但 Kevlar® 和 Glass 不导电。

Kevlar® 用于输电塔中的拉线。虽然它不导电，但它可以吸收水并且水确实导电（或者更确切地说，水中的矿物质使其导电。）因此在这种应用中，Kevlar 上涂有防水涂层。

因为碳纤维确实导电，所以当它与其他金属部件接触时，电偶腐蚀是一个问题。

拥有碳纤维桅杆和翼梁的划船者已经学会隔离他们的铝紧固件和连接以避免腐蚀。

紫外线降解

芳纶纤维会在阳光和高紫外线环境中降解。

碳纤维或玻璃对紫外线辐射不是很敏感。

然而，这是相当无关紧要的，因为凯夫拉尔、玻璃和碳纤维在造船应用中通常都不单独使用。它们嵌入在经常在紫外线下降解的基质中。环氧树脂就是这种情况，如果让它留在阳光下，它会变成白垩并失去强度。聚酯和乙烯基酯树脂更能抵抗紫外线照射，但比环氧树脂弱。

如果您预计在室外使用这些复合材料，则需要保护它们免受紫外线伤害，可以使用一些抗紫外线环氧树脂釉。

抗疲劳

如果使零件反复弯曲和拉直，则最终会因疲劳而失效。碳纤维对疲劳有些敏感，并且往往会发生灾难性的故障而不会显示出许多痛苦的迹象，而 Kevlar® 则更能抵抗疲劳。玻璃介于两者之间，并且可以根据玻璃的类型和设置非常耐疲劳。

耐磨性

Kevlar® 具有很强的耐磨性。这使得切割变得困难。供应商经常出售用于 Kevlar® 布的专用剪刀和超强力剪刀。Kevlar® 的常见用途之一是在手可能被玻璃割伤或使用锋利刀片时用作防护手套。碳纤维和玻璃的抵抗力较差。

耐化学性

芳纶对强酸、碱和一些氧化剂敏感，如氯漂白剂（次氯酸钠）。这些会导致纤维降解。常规氯漂白剂（例如 Clorox®）和过氧化氢不能与 Kevlar® 一起使用，氧漂白剂例如过硼酸钠（例如 OxiClean®）可以在不损坏芳纶纤维的情况下使用。

碳纤维非常稳定，对化学降解不敏感。然而，环氧树脂基质会降解。

对基质的附着力

为了使碳、Kevlar® 和 Glass 发挥最佳性能，它们必须由基质（通常是环氧树脂）保持在适当位置。因此环氧树脂和各种纤维粘合在一起的能力是必不可少的。

Carbon 和 Glass 都可以轻松粘附到环氧树脂上，但是芳纶-环氧树脂键没有我们想要的那么强。这种降低的附着力允许发生水渗透。

因此，芳纶倾向于吸水。再加上它对环氧树脂的不理想附着力意味着如果 Kevlar® 复合材料的表面受损（例如受到猛烈打击）并且水可以进入，那么 Kevlar® 可能会沿着纤维吸收水并削弱复合体。

如果有水渗透并且结构受到冻融，则可能会发生进一步的损坏。

颜色和编织

芳纶在其自然状态下呈淡金色。它可以着色，现在有许多美妙的色调可供选择。玻璃也制成了彩色版本。如果您需要碳纤维硬度、华丽和颜色，可以使用多种碳纤维 Kevlar® 或玻璃。

碳纤维总是黑色的。它可以与彩色芳纶混合，但它本身不能着色。

这对造船厂意味着什么？

简短的回答是我不确定。或者更确切地说，材料的选择涉及妥协。

如果强度是唯一的考虑因素，那么更强的 Kevlar® 或 Glass 品种是最好的。如果刚度、强度和重量是重要因素，那么碳纤维就是你的选择，如果价格是决定因素，那么就选择玻璃。

有几种可用的混合物。特别是 Kevlar® 已成功地与碳纤维和玻璃混合， 以获得各自的良好特性并减少不太理想的特性。

玻璃、芳纶、碳纤维对比图

E=优秀，G=好，P=差，F=一般

请记住，这些评级是相互关联的。不是所有的材料。

我试图准确并检查我的数字，但错误发生了。根据制造商提供的技术信息检查任何材料的适用性。

测试结果可能因样品、材料制造或环境条件而有很大差异。我提供的表格用于比较，而不是用于规划关键构建。我相信这些数字和我能找到的一样准确，但我自己没有做测试。

有几种不同种类的芳纶纤维，其商品名为 Kevlar®、Twaron® 和 Nomex®。虽然它们都属于芳纶的一般类别，但它们的特性在一定范围内变化。芳纶也在中国以其他名称生产。

根据用于制造碳纤维的前体纤维的不同，拉伸强度会更高或更低，刚度也会如此。