復(fù)合材料之纖維特性

我們?cè)诙嗄甑膹?fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)中，常會(huì)用到多種纖維及樹(shù)脂以及泡沫夾芯等，但是在復(fù)合材料制品中使用的纖維主要有三種類(lèi)型：碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉爾（芳綸）。當(dāng)用于復(fù)合材料時(shí)，纖維決定了性能標(biāo)準(zhǔn)，并負(fù)責(zé)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中承載負(fù)載。 樹(shù)脂負(fù)責(zé)將載荷轉(zhuǎn)移到纖維上。簡(jiǎn)而言之，纖維選擇是設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的一部分。

通常復(fù)合材料結(jié)構(gòu)利用不止一種纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)最終所需的設(shè)計(jì)規(guī)格。盡管有無(wú)數(shù)的纖維特性可以組合實(shí)現(xiàn)的最終用途，但以下主要的關(guān)鍵性能在設(shè)計(jì)中尤為重要：模量、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、韌性和剛度/硬度/剛度。

1）模量

模量被稱(chēng)為纖維隨著施加的負(fù)載增加而經(jīng)歷的長(zhǎng)度變化。該負(fù)載可以是壓縮負(fù)載或拉伸負(fù)載。它的計(jì)算方式為應(yīng)力除以應(yīng)變。模量通常表征材料的剛度或強(qiáng)度。在給定的應(yīng)力/應(yīng)變曲線上，它被稱(chēng)為線的斜率。大多數(shù)纖維按模量分類(lèi)，因?yàn)樗兄诖_定復(fù)合材料的剛度或強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，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(fù)合材料都被歸類(lèi)為脆性材料，并且在拉伸很少時(shí)就會(huì)失效。暴露于紫外線輻射和陽(yáng)光下。

2）抗拉強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度是材料在拉伸時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度最低，但就強(qiáng)度重量比而言，它超過(guò)了玻璃纖維，與碳纖維相當(dāng)。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，如果極限強(qiáng)度是唯一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，那么無(wú)堿玻璃是最佳選擇。

3）壓縮強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是指材料在受力將其壓縮在一起時(shí)承受載荷的能力。極限強(qiáng)度由纖維斷裂或永久變形時(shí)施加的最大載荷決定。壓縮強(qiáng)度通常采用層壓形式的環(huán)氧樹(shù)脂基體來(lái)計(jì)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(dāng)受到側(cè)向打擊時(shí)，凱夫拉纖維更容易破裂，從而導(dǎo)致纖維產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。這并不是說(shuō)不應(yīng)使用凱夫拉纖維，而是說(shuō)應(yīng)采用足以滿足結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的需求的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）韌性

韌性是材料在應(yīng)力下抵抗開(kāi)裂或吸收能量的能力。盡管強(qiáng)度和韌性通常是相關(guān)的，但強(qiáng)度測(cè)量的是纖維可以承受的最高應(yīng)力，而韌性測(cè)量的是材料在變形之前可以承受的程度。它也是從測(cè)試開(kāi)始到失效點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積。通常強(qiáng)度較弱的纖維仍會(huì)表現(xiàn)出“更堅(jiān)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(fù)合材料中廣泛使用的最輕的織物，其韌性也超過(guò)了玻璃纖維和碳纖維。因此，Kevlar 纖維大量用于減振應(yīng)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(fù)負(fù)載時(shí)更能抵抗疲勞。

5）剛度/硬度/強(qiáng)度

剛度/硬度/強(qiáng)度均以材料在負(fù)載下不變形的能力為特征。它確定某些零件在負(fù)載下是否會(huì)拉伸或移動(dòng)，如果在設(shè)計(jì)關(guān)鍵區(qū)域，嚴(yán)格的公差可能會(huì)成為承載結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

如果需要一個(gè)零件在負(fù)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(lèi)型的纖維中具有最高的模量，但碳纖維復(fù)合材料即使在接近其極限強(qiáng)度的負(fù)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(lèi)為高模量材料，但每種纖維在接近其極限強(qiáng)度的負(fù)載以及整個(gè)負(fù)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(qiáng)更硬的后果是碳纖維會(huì)在沒(méi)有表現(xiàn)出失效跡象的情況下突然失效。

6）熱固性能

**導(dǎo)熱率

只是材料傳遞或攜帶熱量的能力。它通過(guò)熱量流經(jīng)給定源（材料）的傳輸速率來(lái)測(cè)量。較高的導(dǎo)熱率意味著熱傳遞將以更高的速率發(fā)生。復(fù)合材料的導(dǎo)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。總體導(dǎo)熱率在很大程度上取決于樹(shù)脂與纖維的體積分?jǐn)?shù)以及纖維進(jìn)行傳熱時(shí)纖維的致密性。值得注意的是，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)合材料的導(dǎo)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(hù)服。消光玻璃纖維通常用于建筑物中以提高耐火性。然而，當(dāng)用于復(fù)合材料基體時(shí)，復(fù)合材料的溫度僅限于樹(shù)脂的熱能力。

**電性能

材料的電性能由纖維傳導(dǎo)電流的能力、其對(duì)電流的抵抗力以及電磁頻譜中的任何屏蔽效應(yīng)來(lái)定義。這些性能主要僅與碳纖維有關(guān)。由于碳纖維具有導(dǎo)電性，因此容易對(duì)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(shè)計(jì)師和行業(yè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨殗@其電氣特性進(jìn)行設(shè)計(jì)并且仍在研究中。

玻璃纖維和凱夫拉爾復(fù)合材料對(duì)無(wú)線電波幾乎是透明的，并且不導(dǎo)電。正是由于這個(gè)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(xué)電阻率

是指材料承受 pH 范圍內(nèi)不同化學(xué)試劑暴露的能力以及纖維在給定時(shí)間范圍內(nèi)如何反應(yīng)的能力。這些材料在將纖維暴露于水（淡水和海水）、有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、弱酸和弱堿等條件下進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。

碳纖維的耐化學(xué)性非常強(qiáng)，并且對(duì)上述任何物質(zhì)都沒(méi)有太大的敏感性，預(yù)計(jì)對(duì)強(qiáng)氧化劑也沒(méi)有太大的敏感性。玻璃纖維與碳纖維相當(dāng)，對(duì)強(qiáng)堿反應(yīng)較弱。凱夫拉纖維不會(huì)受到有機(jī)溶劑或油的影響，但在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和一些氧化化合物的存在下會(huì)降解。漂白劑等化學(xué)品不應(yīng)與凱夫拉纖維一起使用。凱夫拉纖維也會(huì)因紫外線輻射和陽(yáng)光而降解。復(fù)合材料的整體耐化學(xué)性在很大程度上取決于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中使用的樹(shù)脂。

因此沒(méi)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(lái)運(yùn)用，各取所長(zhǎng)，達(dá)到最終的客戶需求，如有碳纖維等復(fù)合材料產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需求，可直接聯(lián)系技術(shù)團(tuán)隊(duì)13968211586，作為碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)廠家我們會(huì)提供經(jīng)濟(jì)適用的方案。