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复合材料用增强纤维的模量与拉伸强度

嘉峪检测网        2021-12-22 13:52

目前作为复合材料常见的增强纤维,通常有三种类型:碳纤维、玻璃纤维和 Kevlar(芳纶)纤维。当用于复合材料增强时,纤维可以定义材料的性能标准,并负责在设计结构中起到承载荷载的作用,而树脂基体主要负责将负载转移到纤维上。简而言之,纤维类型的选择是设计过程中不可或缺的一部分。

 

对于上述三种增强纤维,在决定用于给定项目使用何种材料时,往往会有数千种特性需要权衡。在选择使用纤维时,纤维的模量、拉伸强度、压缩强度、韧性、刚度、导电性和耐化学/腐蚀性等因素和特性都很重要。

 

尽管有数千种材料特性可供选择,但在项目设计之初选择合适的纤维将有效缓解整个项目期间的挑战,并指向最佳原料。通常,复合材料结构使用一种以上的纤维来达到最终使用所需的设计要求。尽管有无数纤维特性可以进一步定义结构件的最终用途,但以下高级特性为定义设计目的提供了高级特性:

 

纤维模量是指纤维在承受增加的载荷时所经历的长度变化。这种载荷可以是压缩的,也可以是拉伸的。其计算方法为应力除以应变。模量通常表示材料的刚度。在给定的应力/应变曲线上,它被称为直线的斜率。

 

复合材料用增强纤维的模量与拉伸强度

 

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。通常,使用碳纤维、玻璃纤维和Kevlar的复合材料都被归类为脆性材料,与更多塑性材料或非脆性材料相比,断裂时几乎没有拉伸。

 

拉伸强度是材料在拉伸时承受载荷的能力。它是在纤维发生永久变形之前施加的最大力或载荷,如图所示,碳纤维在强度和强度重量比上都具有优越性,如日本东丽T800S强度重量比高达3266,为表中列出的所有增强纤维最高值。然而,S-玻璃纤维和E-玻璃纤维之间存在显著差异。

 

复合材料用增强纤维的模量与拉伸强度

 

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,凯夫拉是最轻的材料,如上表所示凯夫拉纤维的体密度仅为1.44g/cm^3。尽管凯夫拉的极限强度最低,但就强度与重量之比而言,它超过了玻璃纤维,但是与碳纤维相比要略低。从经济角度讲,如果极限强度是唯一的设计标准,那么E-玻璃纤维是首选。

 

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来源:碳纤维及其复合材料技术