碳纤维是复合材料中最强的吗？
来源：江苏优培德复合材料有限公司 发布时间：2024-07-15 08:40:20 浏览人次：527
优培德：碳纤维制品是复合材料中最强的吗？
当今复合材料中使用的增强材料主要有三种：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，并负责在设计结构中承载载荷。 （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。
碳纤维产品
碳纤维因其高拉伸强度、低密度、高刚性和导热性而被认为是航空航天和工业应用的首选。事实上，与凯夫拉纤维或玻璃纤维相比，碳纤维具有最高的材料强度。它在强度、重量和刚度方面超过了同类增强材料。因此它取代了以前使用铝或钛的航空航天部件中的合金部件。碳纤维复合材料在施加负载时保持尺寸公差的能力强，也就是尺寸稳定性极好。
尽管这些特性非常好，但这也会导致碳纤维层压板在超过最大值时突然断裂或碎裂。然而，碳纤维不能很好地吸收能量，因为它会沿着纤维将能量转移，这可能是好也或者是坏，还是取决于其设计时的布局。碳纤维最好与环氧树脂一起使用，以实现其最大性能。
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、体育用品（球拍、球杆、球棒、棍棒、箭头、自行车）加强筋、赛车零件、高端汽车面板、电子、医疗成像、音乐设备、钓鱼竿和部件
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优点 |
注意事项 |
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最高的拉伸/压缩强度 最高的强度重量比 最刚性 热膨胀系数低 高 EMI 屏蔽性能 |
高成本 腐蚀与 CFRP 接触的金属 突然断裂 导电性 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性能使其成为有经济头脑的业余爱好者和专业人士的主力。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可生产出坚固、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。
1）E-Glass 是用于电气用途，因为它不导电。这种更便宜的选择如今广泛用于许多应用中，但不限于此，用作碳纤维部件与金属部件二次粘合的界面。
2）S-Glass 是指强化玻璃纤维。它具有约 20% 的强度特性，更硬且更耐冲击。虽然与 E-Glass 相比成本较高，但根据应用或结构需求，它可以提供更好的性价比。
通常这两种类型的纤维会被结合起来用更好的发挥各自的优势。众所周知，S 玻璃非常适合结构的外层，因为它为结构提供了刚性和强度。E玻璃增强复合材料并为其提供能量吸收。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、隔热材料、汽车零部件、水池、滑水道、管道、冷却塔、防滑表面、航空航天、钓鱼竿、压力容器
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优点： |
注意事项： |
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最佳性价比 高拉伸强度 高能量吸收 不同模式下的高可用性 应用广泛，知识基础丰富 耐化学腐蚀和防潮 最广泛的树脂类型 电绝缘 |
最低强度重量比 强度比 CF 低 刚性低于 CF 和 Kevlar |
凯夫拉尔
凯夫拉纤维是复合材料行业广泛使用的最轻、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。凯夫拉纤维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，凯夫拉尔用于生产与其他纤维相比具有最佳抗冲击和耐磨特性的复合材料产品。凯夫拉纤维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。则凯夫拉纤维可能很难切割和加工。凯夫拉尔复合材料部件需要涂漆，因为当暴露在紫外线辐射和阳光下时，它们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、汽车车身零件
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优点： |
注意事项: |
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最轻的重量/密度 最高韧性 最高能量吸收（+振动） 最高的抗冲击性 最高的抗裂性 高强度重量比 耐化学腐蚀 高水平的和易性 |
低抗压强度 纤维吸水（~3.5%） 成本高 加工/切割/准备最艰巨的挑战 抗紫外线能力差 |
综合比较
所有复合材料增强材料都有明显的优点和缺点，即使有了上述信息，复合材料的选择仍然很棘手。然而，没有什么可以说组件或结构不能拥有所有材料中最好的。以救生艇为例。使用凯夫拉纤维作为材料将生产出重量轻、吸能的救生艇。然而，一旦撞到岩石上导致压缩损坏，它可能就不太耐用了。在外部使用 S-Glass 玻璃纤维层并用一层 E-Glass 加固可以使救生艇的使用大大提升寿命。在内层中利用凯夫拉纤维的轻质优势可能会制造出更好的救生艇。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的船体的方法。救生艇最终将非常昂贵，并且仍然可能无法提供长寿命所需的抗冲击性和抗疲劳性。还制造了使用 CF / FG 和 Kevlar / CF 的混合材料。使用 Kevlar/CF 混合材料可以生产出一种轻质救生艇，它可以利用两种材料的优点，既坚固又能够吸收能量。
复合材料的整体优点在于可以有一千种不同的方法来实现目标，就像我们伟大的中医一样，配方的神奇之处。复合材料为世界提供了一个利用无穷无尽的织物、纤维、纱线、斜纹布和树脂发挥创造力来解决问题的机会。
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Characterization |
Carbon Fiber 碳纤维 |
Kevlar 芳纶 |
Fiberglass 玻纤 |
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Cost |
1 |
3 |
10 |
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Tensile Strength |
10 |
8 |
7 |
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Strength to Weight |
10 |
9 |
5 |
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Compressive Strength |
10 |
3 |
6 |
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Rigidity |
10 |
6 |
6 |
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Fatigue Resistance |
6 |
10 |
8 |
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Abrasion Resistance |
7 |
10 |
7 |
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Processing |
7 |
6 |
10 |
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Conductive |
Yes |
No |
No |
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Corrosive to Metals |
Yes |
No |
No |
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Heat Resistance |
10 |
10 |
10 |
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Moisture Resistant |
10 |
5 |
10 |
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Chemical Resistance |
10 |
7 |
10 |
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UV Resistance |
Yes |
No |
Yes |
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