复合材料之纤维特性

我们在多年的复合材料产品设计研发中，常会用到多种纤维及树脂以及泡沫夹芯等，但是在复合材料制品中使用的纤维主要有三种类型：碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔（芳纶）。当用于复合材料时，纤维决定了性能标准，并负责在设计结构中承载负载。 树脂负责将载荷转移到纤维上。简而言之，纤维选择是设计过程中不可或缺的一部分。

通常复合材料结构利用不止一种纤维来实现最终所需的设计规格。尽管有无数的纤维特性可以组合实现的最终用途，但以下主要的关键性能在设计中尤为重要：模量、拉伸强度、压缩强度、韧性和刚度/硬度/刚度。

1）模量

模量被称为纤维随着施加的负载增加而经历的长度变化。该负载可以是压缩负载或拉伸负载。它的计算方式为应力除以应变。模量通常表征材料的刚度或强度。在给定的应力/应变曲线上，它被称为线的斜率。大多数纤维按模量分类，因为它有助于确定复合材料的刚度或强度。一般来说，与更多塑料或非脆性材料相比，使用碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉纤维的复合材料都被归类为脆性材料，并且在拉伸很少时就会失效。暴露于紫外线辐射和阳光下。

2）抗拉强度

拉伸强度是材料在拉伸时承受载荷的能力。它是纤维发生永久变形之前所施加的最大力或载荷。如图所示，碳纤维在强度和重量方面总体上优越。然而，S-Glass 和 E-Glass 之间存在显着差异。就密度而言，凯夫拉纤维是最轻的材料。虽然凯夫拉纤维的极限强度最低，但就强度重量比而言，它超过了玻璃纤维，与碳纤维相当。从经济角度来说，如果极限强度是唯一的设计标准，那么无碱玻璃是最佳选择。

3）压缩强度

抗压强度是指材料在受力将其压缩在一起时承受载荷的能力。极限强度由纤维断裂或永久变形时施加的最大载荷决定。压缩强度通常采用层压形式的环氧树脂基体来计算。

在压缩方面，凯夫拉纤维比碳纤维或玻璃纤维弱得多。重要的是，当受到侧向打击时，凯夫拉纤维更容易破裂，从而导致纤维产生压缩应变。这并不是说不应使用凯夫拉纤维，而是说应采用足以满足结构可能出现的需求的层结构进行设计。

4）韧性

韧性是材料在应力下抵抗开裂或吸收能量的能力。尽管强度和韧性通常是相关的，但强度测量的是纤维可以承受的最高应力，而韧性测量的是材料在变形之前可以承受的程度。它也是从测试开始到失效点的应力应变曲线下的面积。通常强度较弱的纤维仍会表现出“更坚韧”的特性。韧性可以表征材料的抗疲劳和耐磨性的倾向。

凯夫拉纤维是复合材料中广泛使用的最轻的织物，其韧性也超过了玻璃纤维和碳纤维。因此，Kevlar 纤维大量用于减振应用，并提供比 CF 或 FG 更好的抗冲击性。这种韧性还有助于凯夫拉纤维在反复负载时更能抵抗疲劳。

5）刚度/硬度/强度

刚度/硬度/强度均以材料在负载下不变形的能力为特征。它确定某些零件在负载下是否会拉伸或移动，如果在设计关键区域，严格的公差可能会成为承载结构的问题。

如果需要一个零件在负载下保持稳定的尺寸稳定生，碳纤维就是最优。虽然碳纤维在三种类型的纤维中具有最高的模量，但碳纤维复合材料即使在接近其极限强度的负载下也将保持更优异的尺寸公差。尽管每种纤维都被归类为高模量材料，但每种纤维在接近其极限强度的负载以及整个负载周期中的表现都不同。虽然 CF 仅提供约 2%，但 Kevlar 29 和玻璃纤维的拉伸载荷几乎是碳纤维的两倍。更强更硬的后果是碳纤维会在没有表现出失效迹象的情况下突然失效。

6）热固性能

**导热率

只是材料传递或携带热量的能力。它通过热量流经给定源（材料）的传输速率来测量。较高的导热率意味着热传递将以更高的速率发生。复合材料的导热率是各向异性的，这意味着热量将在纤维方向上更快地传递。总体导热率在很大程度上取决于树脂与纤维的体积分数以及纤维进行传热时纤维的致密性。值得注意的是，复合材料结构的整体设计对于复合材料的导热性比纤维本身起着更重要的作用。

**可燃性

这些纤维的可燃性表明它们都耐高温。碳纤维和凯夫拉纤维通常一起用于消防和防护服。消光玻璃纤维通常用于建筑物中以提高耐火性。然而，当用于复合材料基体时，复合材料的温度仅限于树脂的热能力。

**电性能

材料的电性能由纤维传导电流的能力、其对电流的抵抗力以及电磁频谱中的任何屏蔽效应来定义。这些性能主要仅与碳纤维有关。由于碳纤维具有导电性，因此容易对金属部件造成电偶腐蚀。为此，工业涂敷器将绝缘金属部件粘合到碳纤维上，或在接触区域添加玻璃纤维层，以防止这种情况发生。碳纤维给航空航天设计师和行业带来了挑战，因为必须围绕其电气特性进行设计并且仍在研究中。

玻璃纤维和凯夫拉尔复合材料对无线电波几乎是透明的，并且不导电。正是由于这个原因，凯夫拉纤维常用于输电塔。 （带有凯夫拉涂层以防止吸水）

**化学电阻率

是指材料承受 pH 范围内不同化学试剂暴露的能力以及纤维在给定时间范围内如何反应的能力。这些材料在将纤维暴露于水（淡水和海水）、有机溶剂、强酸、强碱、弱酸和弱碱等条件下进行了广泛的测试。

碳纤维的耐化学性非常强，并且对上述任何物质都没有太大的敏感性，预计对强氧化剂也没有太大的敏感性。玻璃纤维与碳纤维相当，对强碱反应较弱。凯夫拉纤维不会受到有机溶剂或油的影响，但在强酸、强碱和一些氧化化合物的存在下会降解。漂白剂等化学品不应与凯夫拉纤维一起使用。凯夫拉纤维也会因紫外线辐射和阳光而降解。复合材料的整体耐化学性在很大程度上取决于复合材料结构中使用的树脂。

因此没有一种材料可以完美替代另一种材料，最好的办法是常常组合起来运用，各取所长，达到最终的客户需求，如有碳纤维等复合材料产品的开发需求，可直接联系技术团队13968211586，作为碳纤维产品生产厂家我们会提供经济适用的方案。