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復(fù)合材料用增強(qiáng)纖維的模量與拉伸強(qiáng)度

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2021-12-22 13:52

目前作為復(fù)合材料常見的增強(qiáng)纖維,通常有三種類型:碳纖維、玻璃纖維和 Kevlar(芳綸)纖維。當(dāng)用于復(fù)合材料增強(qiáng)時(shí),纖維可以定義材料的性能標(biāo)準(zhǔn),并負(fù)責(zé)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中起到承載荷載的作用,而樹脂基體主要負(fù)責(zé)將負(fù)載轉(zhuǎn)移到纖維上。簡(jiǎn)而言之,纖維類型的選擇是設(shè)計(jì)過程中不可或缺的一部分。

 

對(duì)于上述三種增強(qiáng)纖維,在決定用于給定項(xiàng)目使用何種材料時(shí),往往會(huì)有數(shù)千種特性需要權(quán)衡。在選擇使用纖維時(shí),纖維的模量、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、韌性、剛度、導(dǎo)電性和耐化學(xué)/腐蝕性等因素和特性都很重要。

 

盡管有數(shù)千種材料特性可供選擇,但在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初選擇合適的纖維將有效緩解整個(gè)項(xiàng)目期間的挑戰(zhàn),并指向最佳原料。通常,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用一種以上的纖維來達(dá)到最終使用所需的設(shè)計(jì)要求。盡管有無數(shù)纖維特性可以進(jìn)一步定義結(jié)構(gòu)件的最終用途,但以下高級(jí)特性為定義設(shè)計(jì)目的提供了高級(jí)特性:

 

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

 

復(fù)合材料用增強(qiáng)纖維的模量與拉伸強(qiáng)度

 

大多數(shù)纖維按模量分類,因?yàn)樗兄诖_定復(fù)合材料的剛度。通常,使用碳纖維、玻璃纖維和Kevlar的復(fù)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(shí)幾乎沒有拉伸。

 

拉伸強(qiáng)度是材料在拉伸時(shí)承受載荷的能力。它是在纖維發(fā)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(qiáng)度和強(qiáng)度重量比上都具有優(yōu)越性,如日本東麗T800S強(qiáng)度重量比高達(dá)3266,為表中列出的所有增強(qiáng)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(fù)合材料用增強(qiáng)纖維的模量與拉伸強(qiáng)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(qiáng)度最低,但就強(qiáng)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(jīng)濟(jì)角度講,如果極限強(qiáng)度是唯一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),那么E-玻璃纖維是首選。

 

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來源:碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)

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