玻璃纤维和碳纤维的区别

玻璃纤维和碳纤维的区别

复合材料产品日益成为当今世界的一个共同特征,大量用于建筑、基础设施、公用事业分配和汽车行业。

玻璃纤维和碳纤维有什么区别?每一种都有略微不同的特性,可能使其更适合特定的应用程序。这篇文章分解了玻璃纤维和碳纤维之间的一些主要区别。

玻璃纤维最初是作为无机硅砂存在的,它与石灰石和苏打灰一起被加热到极端温度 ─准确地说是2500 华氏度。在此温度下,沙子呈熔融状态。然后,特殊的成型设备将熔融玻璃拉成难以置信的细线。

相比之下,碳纤维最初是有机聚合物——与碳原子结合在一起的长分子链。在许多情况下,这些聚合物通过聚丙烯腈 (PAN) 工艺转化为碳纤维。聚丙烯腈是用于制造碳纤维的特殊聚合物的名称。

多步 PAN 工艺包括将聚丙烯腈纺成纤维,进行化学改变以使其稳定,然后碳化和处理纤维表面。

结果是一种比玻璃纤维更细的纤维,尽管它可以以与玻璃纤维完全相同的方式引入拉挤工艺。

玻璃纤维与碳纤维

现在您对玻璃纤维和碳纤维的起源有了基本的了解,我们来看看它们在用作拉挤型材时表现出的差异。

我们强调了四个最重要的比较点:

  • 重量

碳纤维是一种纤维状碳材料,强度高,密度低于铝,耐腐蚀,耐高温,导电性与铜相似。碳纤维是一种高度加工的材料,常用于高端产品。

优点是它相对较轻,具有很强的导电性和导热性,并提供高机械性能。碳的重量约为玻璃纤维的 70%。

碳纤维可加工成织物、毡、垫、带、纸等材料。有时作为增强材料加入树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,形成复合材料。碳纤维增强复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽材料、人工韧带等人体替代材料,也可用于制造摩托艇、工业机器人、汽车钢板弹簧和传动轴等。

  • 强度

碳纤维还表现出比玻璃纤维更大的纤维强度。这使得更小更轻的碳纤维部分具有与更大更重的玻璃纤维部分相同的强度。例如,碳纤维的 纤维强度为 4127,而称为 E 玻璃的玻璃纤维类型的纤维强度为 3450——大约低 16%。

但是,当您同时考虑这些因素时,两种材料之间的差异就会成为焦点。强度重量比表示每种材料的强度与其重量的比值。E Glass的强度重量比为 564,而碳纤维的强度重量比为 1013——几乎是后者的两倍。

这种相对于重量的高强度意味着制造商在拉挤给定产品时需要使用更少的碳纤维。因此,拉挤碳纤维产品通常可以拥有更薄的横截面。这是真正减轻重量的地方,也需要使用更少的树脂。目前,碳纤维广泛应用于民用、军用、建筑、化工、工业、航空航天和汽车等行业。

  • 刚性和韧性

除了比玻璃纤维更坚固外,碳纤维也更硬。这种额外的刚度可以证明非常有用,使制造商能够满足更精确的刚度需求。例如,CERN 大型强子对撞机内的硅跟踪器模块需要一定程度的刚度,而只有碳纤维拉挤型材才能提供。然而,这种增加的刚性并不一定意味着碳纤维是所有应用的更好选择。

另一方面,玻璃纤维——具有相对柔软的特性——对于需要高柔性图案的应用来说是更好的选择。相对刚性的碳纤维可能不适合这些应用。另一方面,玻璃纤维是一种性能优良的无机非金属材料。它是以玻璃球或废玻璃为原料,采用拉挤技术成型玻璃纤维。玻璃纤维的直径从几微米起。从五分之一到十分之一的电线直径,一束纤维由数十万根单丝组成。正如重量和强度之间的关系一样,拉挤材料的刚性会影响其长期韧性。

玻璃纤维通常被认为比碳纤维更坚韧,因为它更柔韧的特性使其更容易承受压力和物理虐待。

尽管强度更高,但碳纤维通常具有较低的断裂点。随着时间的推移,这使得它更容易受到损坏。

  • 热膨胀

与钢和铝等材料相比,玻璃纤维的热膨胀系数相对较小——这意味着它不会因温度变化而显着变大。

也就是说,如果暴露于足够极端的变化——或者如果公差特别严格——那么玻璃纤维拉挤成型可能不是合适的选择。

碳纤维在这方面有一个显着的特性:它实际上具有负的热膨胀系数。因此,碳纤维会随着温度下降而膨胀。

这种趋势有效地抵消了用于将纤维粘合在一起的树脂基体具有正系数这一事实,基本上导致接近中性的整体系数。

总结

玻璃钢相对性价比更高。生产长碳纤维是一个耗时且困难的过程,这自然使碳纤维更加昂贵。同样,玻璃纤维更广泛的用途——包括非突出产品——有助于确保其价格点保持更具竞争力。最终, 玻璃纤维和拉挤碳纤维都表现出独特的性能。仔细考虑给定产品的需求和参数,以便选择最适合您需求的材料。

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