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復合材料用增強纖維的模量與拉伸強度

嘉峪檢測網        2021-12-22 13:52

目前作為復合材料常見的增強纖維,通常有三種類型:碳纖維、玻璃纖維和 Kevlar(芳綸)纖維。當用于復合材料增強時,纖維可以定義材料的性能標準,并負責在設計結構中起到承載荷載的作用,而樹脂基體主要負責將負載轉移到纖維上。簡而言之,纖維類型的選擇是設計過程中不可或缺的一部分。

 

對于上述三種增強纖維,在決定用于給定項目使用何種材料時,往往會有數千種特性需要權衡。在選擇使用纖維時,纖維的模量、拉伸強度、壓縮強度、韌性、剛度、導電性和耐化學/腐蝕性等因素和特性都很重要。

 

盡管有數千種材料特性可供選擇,但在項目設計之初選擇合適的纖維將有效緩解整個項目期間的挑戰,并指向最佳原料。通常,復合材料結構使用一種以上的纖維來達到最終使用所需的設計要求。盡管有無數纖維特性可以進一步定義結構件的最終用途,但以下高級特性為定義設計目的提供了高級特性:

 

纖維模量是指纖維在承受增加的載荷時所經歷的長度變化。這種載荷可以是壓縮的,也可以是拉伸的。其計算方法為應力除以應變。模量通常表示材料的剛度。在給定的應力/應變曲線上,它被稱為直線的斜率。

 

復合材料用增強纖維的模量與拉伸強度

 

大多數纖維按模量分類,因為它有助于確定復合材料的剛度。通常,使用碳纖維、玻璃纖維和Kevlar的復合材料都被歸類為脆性材料,與更多塑性材料或非脆性材料相比,斷裂時幾乎沒有拉伸。

 

拉伸強度是材料在拉伸時承受載荷的能力。它是在纖維發生永久變形之前施加的最大力或載荷,如圖所示,碳纖維在強度和強度重量比上都具有優越性,如日本東麗T800S強度重量比高達3266,為表中列出的所有增強纖維最高值。然而,S-玻璃纖維和E-玻璃纖維之間存在顯著差異。

 

復合材料用增強纖維的模量與拉伸強度

 

Fiber

Tensile Strength (MPa)

Density
(g/cm^3)

Strength
to Weight Ratio

Toray Carbon Fiber T700

4900

1.80

2722

Toray Carbon Fiber T800S

5880

1.80

3266

Hexcel Carbon Fiber AS4

4447

1.79

2484

Hexcel Carbon Fiber IM8

6170

1.79

3446

Kevlar 49

3000

1.44

2083

Kevlar 29

2920

1.44

2027

S-Glass

4585

2.48

1848

E-Glass

3790

2.40

1579

 

就密度而言,凱夫拉是最輕的材料,如上表所示凱夫拉纖維的體密度僅為1.44g/cm^3。盡管凱夫拉的極限強度最低,但就強度與重量之比而言,它超過了玻璃纖維,但是與碳纖維相比要略低。從經濟角度講,如果極限強度是唯一的設計標準,那么E-玻璃纖維是首選。

 

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來源:碳纖維及其復合材料技術

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