碳纖維是復(fù)合材料中最強(qiáng)的嗎？
優(yōu)培德：碳纖維制品是復(fù)合材料中最強(qiáng)的嗎？
當(dāng)今復(fù)合材料中使用的增強(qiáng)材料主要有三種：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)，增強(qiáng)材料定義了性能標(biāo)準(zhǔn)，并負(fù)責(zé)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中承載載荷。 （樹脂負(fù)責(zé)將載荷轉(zhuǎn)移到纖維上。）簡而言之，增強(qiáng)材料的選擇是設(shè)計(jì)過程中不可或缺的一部分。
碳纖維產(chǎn)品
碳纖維因其高拉伸強(qiáng)度、低密度、高剛性和導(dǎo)熱性而被認(rèn)為是航空航天和工業(yè)應(yīng)用的首選。事實(shí)上，與凱夫拉纖維或玻璃纖維相比，碳纖維具有最高的材料強(qiáng)度。它在強(qiáng)度、重量和剛度方面超過了同類增強(qiáng)材料。因此它取代了以前使用鋁或鈦的航空航天部件中的合金部件。碳纖維復(fù)合材料在施加負(fù)載時(shí)保持尺寸公差的能力強(qiáng)，也就是尺寸穩(wěn)定性極好。
盡管這些特性非常好，但這也會(huì)導(dǎo)致碳纖維層壓板在超過最大值時(shí)突然斷裂或碎裂。然而，碳纖維不能很好地吸收能量，因?yàn)樗鼤?huì)沿著纖維將能量轉(zhuǎn)移，這可能是好也或者是壞，還是取決于其設(shè)計(jì)時(shí)的布局。碳纖維最好與環(huán)氧樹脂一起使用，以實(shí)現(xiàn)其最大性能。
常見應(yīng)用：高性能飛機(jī)和航空航天結(jié)構(gòu)、無人機(jī)、骨架管、擾流板、船、體育用品（球拍、球桿、球棒、棍棒、箭頭、自行車）加強(qiáng)筋、賽車零件、高端汽車面板、電子、醫(yī)療成像、音樂設(shè)備、釣魚竿和部件
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優(yōu)點(diǎn) |
注意事項(xiàng) |
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最高的拉伸/壓縮強(qiáng)度 最高的強(qiáng)度重量比 最剛性 熱膨脹系數(shù)低 高 EMI 屏蔽性能 |
高成本 腐蝕與 CFRP 接觸的金屬 突然斷裂 導(dǎo)電性 低沖擊強(qiáng)度 |
玻璃纖維
玻璃纖維是當(dāng)今復(fù)合材料中最常用的織物類型。玻璃纖維的低成本和整體強(qiáng)大的物理性能使其成為有經(jīng)濟(jì)頭腦的業(yè)余愛好者和專業(yè)人士的主力。玻璃纖維幾乎遍及人類已知的每個(gè)行業(yè)。玻璃纖維復(fù)合材料仍可生產(chǎn)出堅(jiān)固、重量輕的部件，可用于最廣泛的應(yīng)用。目前復(fù)合材料中使用的玻璃纖維主要有兩種類型。
1）E-Glass 是用于電氣用途，因?yàn)樗粚?dǎo)電。這種更便宜的選擇如今廣泛用于許多應(yīng)用中，但不限于此，用作碳纖維部件與金屬部件二次粘合的界面。
2）S-Glass 是指強(qiáng)化玻璃纖維。它具有約 20% 的強(qiáng)度特性，更硬且更耐沖擊。雖然與 E-Glass 相比成本較高，但根據(jù)應(yīng)用或結(jié)構(gòu)需求，它可以提供更好的性價(jià)比。
通常這兩種類型的纖維會(huì)被結(jié)合起來用更好的發(fā)揮各自的優(yōu)勢。眾所周知，S 玻璃非常適合結(jié)構(gòu)的外層，因?yàn)樗鼮榻Y(jié)構(gòu)提供了剛性和強(qiáng)度。E玻璃增強(qiáng)復(fù)合材料并為其提供能量吸收。玻璃纖維可用于所有熱固性樹脂應(yīng)用（聚酯/乙烯基酯/環(huán)氧樹脂）.
常見應(yīng)用：船、隔熱材料、汽車零部件、水池、滑水道、管道、冷卻塔、防滑表面、航空航天、釣魚竿、壓力容器
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優(yōu)點(diǎn)： |
注意事項(xiàng)： |
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最佳性價(jià)比 高拉伸強(qiáng)度 高能量吸收 不同模式下的高可用性 應(yīng)用廣泛，知識(shí)基礎(chǔ)豐富 耐化學(xué)腐蝕和防潮 最廣泛的樹脂類型 電絕緣 |
最低強(qiáng)度重量比 強(qiáng)度比 CF 低 剛性低于 CF 和 Kevlar |
凱夫拉爾
凱夫拉纖維是復(fù)合材料行業(yè)廣泛使用的最輕、最堅(jiān)韌的織物類型。如今它單獨(dú)用作防彈背心、抗沖擊和防切割安全設(shè)備的織物，并用作阻燃劑。凱夫拉纖維在用作織物或復(fù)合材料之間具有最高的優(yōu)勢。在復(fù)合材料中，凱夫拉爾用于生產(chǎn)與其他纖維相比具有最佳抗沖擊和耐磨特性的復(fù)合材料產(chǎn)品。凱夫拉纖維填補(bǔ)了玻璃纖維和碳纖維之間的剛度差距，同時(shí)提供高強(qiáng)度增強(qiáng)。則凱夫拉纖維可能很難切割和加工。凱夫拉爾復(fù)合材料部件需要涂漆，因?yàn)楫?dāng)暴露在紫外線輻射和陽光下時(shí)，它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解。
常見應(yīng)用：高性能飛機(jī)和航空航天結(jié)構(gòu)、防彈衣、沖浪板、賽車運(yùn)動(dòng)保護(hù)、皮劃艇、獨(dú)木舟和壓力容器、船體橫梁、汽車車身零件
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優(yōu)點(diǎn)： |
注意事項(xiàng): |
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最輕的重量/密度 最高韌性 最高能量吸收（+振動(dòng)） 最高的抗沖擊性 最高的抗裂性 高強(qiáng)度重量比 耐化學(xué)腐蝕 高水平的和易性 |
低抗壓強(qiáng)度 纖維吸水（~3.5%） 成本高 加工/切割/準(zhǔn)備最艱巨的挑戰(zhàn) 抗紫外線能力差 |
綜合比較
所有復(fù)合材料增強(qiáng)材料都有明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，即使有了上述信息，復(fù)合材料的選擇仍然很棘手。然而，沒有什么可以說組件或結(jié)構(gòu)不能擁有所有材料中最好的。以救生艇為例。使用凱夫拉纖維作為材料將生產(chǎn)出重量輕、吸能的救生艇。然而，一旦撞到巖石上導(dǎo)致壓縮損壞，它可能就不太耐用了。在外部使用 S-Glass 玻璃纖維層并用一層 E-Glass 加固可以使救生艇的使用大大提升壽命。在內(nèi)層中利用凱夫拉纖維的輕質(zhì)優(yōu)勢可能會(huì)制造出更好的救生艇。僅碳纖維皮劃艇就可以減輕重量，因?yàn)閺?qiáng)度重量比是最好的，并且提供了一種設(shè)計(jì)高剛性和堅(jiān)固的船體的方法。救生艇最終將非常昂貴，并且仍然可能無法提供長壽命所需的抗沖擊性和抗疲勞性。還制造了使用 CF / FG 和 Kevlar / CF 的混合材料。使用 Kevlar/CF 混合材料可以生產(chǎn)出一種輕質(zhì)救生艇，它可以利用兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，既堅(jiān)固又能夠吸收能量。
復(fù)合材料的整體優(yōu)點(diǎn)在于可以有一千種不同的方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，就像我們偉大的中醫(yī)一樣，配方的神奇之處。復(fù)合材料為世界提供了一個(gè)利用無窮無盡的織物、纖維、紗線、斜紋布和樹脂發(fā)揮創(chuàng)造力來解決問題的機(jī)會(huì)。
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Characterization |
Carbon Fiber 碳纖維 |
Kevlar 芳綸 |
Fiberglass 玻纖 |
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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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