复合增强材料:碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔

当今复合材料中主要使用三种增强材料: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,并负责承载设计结构中的载荷。(树脂负责将载荷转移到纤维上。)简而言之,增强材料的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,碳纤维是航空航天和工业应用的首选,因为它具有高拉伸强度、低密度、高刚性和导热性。事实上,与 Kevlar 或玻璃纤维选项相比,碳纤维在所有方面都具有最高的材料强度。它在强度、重量和刚度类别方面超过了可比较的增强材料。因此,它取代了以前使用铝或钛的航空航天部件中的合金。碳纤维复合材料在施加载荷时擅长保持尺寸公差。

尽管拥有这些特性非常好,但这也会导致碳纤维层压板在超过最大值时突然断裂或突然碎裂。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。这可能是好是坏取决于应用程序。碳纤维最好与环氧树脂一起使用,以实现其最大性能。虽然制造目的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、骨架管、扰流板、船只、体育用品(球拍、球棒、球棒、球棒、箭、自行车)加强件、赛车零件、高端汽车面板、电子、医学成像、音乐设备、钓鱼竿和部件

优点 要注意什么:
最高拉伸/压缩强度

最高强度重量

最刚性

低热膨胀系数

高 EMI 屏蔽性能

成本高

腐蚀与 CFRP 接触的金属

突然中断

导电

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。玻璃纤维几乎遍及人类已知的每个行业。玻璃纤维复合材料仍将生产坚固、重量轻的部件,可用于最广泛的应用。目前复合材料中使用的玻璃纤维主要有两种类型。在最初使用玻璃纤维时,E-Glass 是为电气目的而制造的,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,但不限于,用作将碳纤维部件二次粘合到金属部件的界面。

S-Glass 表示为强化玻璃纤维。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,但它可以
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 玻璃非常适用于结构的外层,因为它为结构提供了刚度和强度。然后,E-玻璃增强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、游泳池、滑水道、管道、冷却塔、防滑表面、航空航天、钓鱼竿、压力容器

优点 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,高知识基础

耐化学和防潮

最广泛的树脂类型

电绝缘

最低强度重量比 

强度低于 CF

不如 CF 和 Kevlar 刚性

芳纶

Kevlar 是复合材料行业中广泛使用的重量最轻、最坚韧的织物类型。如今,它单独用作防弹背心、抗冲击和防切割安全设备的织物,并用作阻燃剂。Kevlar 在用作织物或复合材料之间具有最高的优势。在复合材料中,Kevlar 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差距,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,因为它们在暴露于紫外线辐射和阳光下会随着时间的推移而降解。

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、汽车车身部件

优点 要注意什么:
最轻的重量/密度

最高韧性

最高能量吸收(+振动)

最高抗冲击性

最高抗裂性

高强度重量比

耐化学性

高水平的可加工性

低抗压强度

纤维吸水 (~3.5%)

成本高

加工/切割/准备的最严峻挑战

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点和缺点。即使有了以上信息,复合材料的选择仍然很棘手。然而,没有什么可以说一个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、能量吸收的皮划艇。但是,一旦它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 玻璃纤维层并用一层 E-Glass 加固可以显着延长皮划艇的使用寿命。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。仅碳纤维皮划艇就可以减轻重量,因为强度重量比是最好的,并且提供了一种设计高刚性和坚固船体的方法。皮划艇最终会变得非常昂贵,而且可能仍无法提供长寿命所需的抗冲击和抗疲劳性能。还制造了使用 CF / FG 和 Kevlar / CF 的混合材料。使用 Kevlar/CF 混合材料可以制造出一种轻型皮划艇,它可以利用这两种材料的优势,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物、纤维、纱线、斜纹布和树脂来发挥创造力来解决问题。

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