復合材料之纖維特性

我們在多年的復合材料產品設計研發(fā)中，常會用到多種纖維及樹脂以及泡沫夾芯等，但是在復合材料制品中使用的纖維主要有三種類型：碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉爾（芳綸）。當用于復合材料時，纖維決定了性能標準，并負責在設計結構中承載負載。 樹脂負責將載荷轉移到纖維上。簡而言之，纖維選擇是設計過程中不可或缺的一部分。

通常復合材料結構利用不止一種纖維來實現(xiàn)最終所需的設計規(guī)格。盡管有無數(shù)的纖維特性可以組合實現(xiàn)的最終用途，但以下主要的關鍵性能在設計中尤為重要：模量、拉伸強度、壓縮強度、韌性和剛度/硬度/剛度。

1）模量

模量被稱為纖維隨著施加的負載增加而經歷的長度變化。該負載可以是壓縮負載或拉伸負載。它的計算方式為應力除以應變。模量通常表征材料的剛度或強度。在給定的應力/應變曲線上，它被稱為線的斜率。大多數(shù)纖維按模量分類，因為它有助于確定復合材料的剛度或強度。一般來說，與更多塑料或非脆性材料相比，使用碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉纖維的復合材料都被歸類為脆性材料，并且在拉伸很少時就會失效。暴露于紫外線輻射和陽光下。

2）抗拉強度

拉伸強度是材料在拉伸時承受載荷的能力。它是纖維發(fā)生永久變形之前所施加的最大力或載荷。如圖所示，碳纖維在強度和重量方面總體上優(yōu)越。然而，S-Glass 和 E-Glass 之間存在顯著差異。就密度而言，凱夫拉纖維是最輕的材料。雖然凱夫拉纖維的極限強度最低，但就強度重量比而言，它超過了玻璃纖維，與碳纖維相當。從經濟角度來說，如果極限強度是唯一的設計標準，那么無堿玻璃是最佳選擇。

3）壓縮強度

抗壓強度是指材料在受力將其壓縮在一起時承受載荷的能力。極限強度由纖維斷裂或永久變形時施加的最大載荷決定。壓縮強度通常采用層壓形式的環(huán)氧樹脂基體來計算。

在壓縮方面，凱夫拉纖維比碳纖維或玻璃纖維弱得多。重要的是，當受到側向打擊時，凱夫拉纖維更容易破裂，從而導致纖維產生壓縮應變。這并不是說不應使用凱夫拉纖維，而是說應采用足以滿足結構可能出現(xiàn)的需求的層結構進行設計。

4）韌性

韌性是材料在應力下抵抗開裂或吸收能量的能力。盡管強度和韌性通常是相關的，但強度測量的是纖維可以承受的最高應力，而韌性測量的是材料在變形之前可以承受的程度。它也是從測試開始到失效點的應力應變曲線下的面積。通常強度較弱的纖維仍會表現(xiàn)出“更堅韌”的特性。韌性可以表征材料的抗疲勞和耐磨性的傾向。

凱夫拉纖維是復合材料中廣泛使用的最輕的織物，其韌性也超過了玻璃纖維和碳纖維。因此，Kevlar 纖維大量用于減振應用，并提供比 CF 或 FG 更好的抗沖擊性。這種韌性還有助于凱夫拉纖維在反復負載時更能抵抗疲勞。

5）剛度/硬度/強度

剛度/硬度/強度均以材料在負載下不變形的能力為特征。它確定某些零件在負載下是否會拉伸或移動，如果在設計關鍵區(qū)域，嚴格的公差可能會成為承載結構的問題。

如果需要一個零件在負載下保持穩(wěn)定的尺寸穩(wěn)定生，碳纖維就是最優(yōu)。雖然碳纖維在三種類型的纖維中具有最高的模量，但碳纖維復合材料即使在接近其極限強度的負載下也將保持更優(yōu)異的尺寸公差。盡管每種纖維都被歸類為高模量材料，但每種纖維在接近其極限強度的負載以及整個負載周期中的表現(xiàn)都不同。雖然 CF 僅提供約 2%，但 Kevlar 29 和玻璃纖維的拉伸載荷幾乎是碳纖維的兩倍。更強更硬的后果是碳纖維會在沒有表現(xiàn)出失效跡象的情況下突然失效。

6）熱固性能

**導熱率

只是材料傳遞或攜帶熱量的能力。它通過熱量流經給定源（材料）的傳輸速率來測量。較高的導熱率意味著熱傳遞將以更高的速率發(fā)生。復合材料的導熱率是各向異性的，這意味著熱量將在纖維方向上更快地傳遞?？傮w導熱率在很大程度上取決于樹脂與纖維的體積分數(shù)以及纖維進行傳熱時纖維的致密性。值得注意的是，復合材料結構的整體設計對于復合材料的導熱性比纖維本身起著更重要的作用。

**可燃性

這些纖維的可燃性表明它們都耐高溫。碳纖維和凱夫拉纖維通常一起用于消防和防護服。消光玻璃纖維通常用于建筑物中以提高耐火性。然而，當用于復合材料基體時，復合材料的溫度僅限于樹脂的熱能力。

**電性能

材料的電性能由纖維傳導電流的能力、其對電流的抵抗力以及電磁頻譜中的任何屏蔽效應來定義。這些性能主要僅與碳纖維有關。由于碳纖維具有導電性，因此容易對金屬部件造成電偶腐蝕。為此，工業(yè)涂敷器將絕緣金屬部件粘合到碳纖維上，或在接觸區(qū)域添加玻璃纖維層，以防止這種情況發(fā)生。碳纖維給航空航天設計師和行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)，因為必須圍繞其電氣特性進行設計并且仍在研究中。

玻璃纖維和凱夫拉爾復合材料對無線電波幾乎是透明的，并且不導電。正是由于這個原因，凱夫拉纖維常用于輸電塔。 （帶有凱夫拉涂層以防止吸水）

**化學電阻率

是指材料承受 pH 范圍內不同化學試劑暴露的能力以及纖維在給定時間范圍內如何反應的能力。這些材料在將纖維暴露于水（淡水和海水）、有機溶劑、強酸、強堿、弱酸和弱堿等條件下進行了廣泛的測試。

碳纖維的耐化學性非常強，并且對上述任何物質都沒有太大的敏感性，預計對強氧化劑也沒有太大的敏感性。玻璃纖維與碳纖維相當，對強堿反應較弱。凱夫拉纖維不會受到有機溶劑或油的影響，但在強酸、強堿和一些氧化化合物的存在下會降解。漂白劑等化學品不應與凱夫拉纖維一起使用。凱夫拉纖維也會因紫外線輻射和陽光而降解。復合材料的整體耐化學性在很大程度上取決于復合材料結構中使用的樹脂。

因此沒有一種材料可以完美替代另一種材料，最好的辦法是常常組合起來運用，各取所長，達到最終的客戶需求，如有碳纖維等復合材料產品的開發(fā)需求，可直接聯(lián)系技術團隊13968211586，作為碳纖維產品生產廠家我們會提供經濟適用的方案。