کدام ماده بهتر است، فیبر کربن، الیاف شیشه یا آرامید؟
هنگامی که چگالی سه ماده با هم مقایسه می شود، تفاوت های قابل توجهی در سه الیاف قابل مشاهده است. اگر 3 نمونه با اندازه و وزن دقیقاً یکسان تهیه کنید، به سرعت مشخص میشود که فیبر Kevlar® بسیار سبکتر است، پس از آن فیبر کربن و فیبر E-glass سنگینترین هستند.
بنابراین، برای همان وزن مواد کامپوزیت، فیبر کربن یا Kevlar® میتواند به استحکام بالاتری دست یابد. به عبارت دیگر، هر ساختاری که نیاز به استحکام معین ساخته شده با فیبر کربن یا کامپوزیت های Kevlar® داشته باشد، کوچکتر یا نازک تر از ساختار ساخته شده با فایبرگلاس خواهد بود.
وقتی نمونهها ساخته و آزمایش شدند، مشخص شد که کامپوزیت فایبرگلاس تقریباً دو برابر سنگینتر از Kevlar® یا ورقههای فیبر کربنی است. این بدان معنی است که استفاده از Kevlar® یا فیبر کربن می تواند وزن زیادی را کاهش دهد.
مدول یانگ معیاری از سفتی یک ماده الاستیک است و راهی برای توصیف یک ماده است. به عنوان نسبت تنش تک محوری (در یک جهت) به کرنش تک محوری (تغییر شکل در همان جهت) تعریف می شود. مدول یانگ=تنش/کرنش، به این معنی که ماده ای با مدول یانگ بالا سخت تر از ماده ای با مدول یانگ پایین تر است.
فیبر کربن، Kevlar® و فایبرگلاس از نظر سفتی بسیار متفاوت است. فیبر کربن تقریباً دو برابر سفت تر از الیاف آرامید و پنج برابر سفت تر از الیاف شیشه است. نقطه ضعف سفتی برتر فیبر کربن این است که ترد تر است. هنگامی که از کار می افتد، تمایل به نشان دادن فشار یا تغییر شکل زیادی ندارد.
3. قابلیت اشتعال و تخریب حرارتی
هر دو کولار® و فیبر کربن در برابر دماهای بالا مقاوم هستند و هیچکدام نقطه ذوب ندارند. هر دو ماده در لباس های محافظ و پارچه های مقاوم در برابر آتش استفاده شده اند. فایبرگلاس در نهایت ذوب می شود اما در برابر دماهای بالا نیز بسیار مقاوم است. البته استفاده از فایبرگلاس مات در ساختمان ها مقاومت در برابر آتش را نیز بهبود می بخشد.
فیبر کربن و Kevlar® برای ساخت پتوها یا لباس های محافظ آتش نشانی یا جوشکاری استفاده می شود. دستکش کولار معمولاً در صنعت گوشت برای محافظت از دست ها هنگام استفاده از چاقو استفاده می شود. از آنجایی که الیاف به ندرت به تنهایی استفاده می شوند، مقاومت حرارتی ماتریس (معمولاً اپوکسی) نیز مهم است. رزین های اپوکسی وقتی در معرض حرارت قرار می گیرند به سرعت نرم می شوند.
4. رسانایی
فیبر کربن رسانای الکتریسیته است، اما Kevlar® و فایبرگلاس اینطور نیستند. Kevlar® برای سیمهای گای در دکلهای انتقال استفاده میشود. اگرچه رسانای الکتریسیته نیست، اما آب را جذب می کند و آب نیز جریان الکتریسیته را هدایت می کند. بنابراین در چنین کاربردهایی باید یک پوشش ضد آب در بالای کولار اعمال شود.
از آنجا که فیبر کربن رسانای الکتریسیته است، خوردگی گالوانیکی در تماس با سایر قطعات فلزی مشکل ساز می شود.
5. تخریب UV
الیاف آرامید در نور خورشید و محیط های با اشعه ماوراء بنفش بالا تخریب می شوند. الیاف کربن یا شیشه به اشعه ماوراء بنفش خیلی حساس نیستند. با این حال، برخی از بسترهای رایج مانند رزین اپوکسی در صورت رها شدن در برابر نور خورشید سفید شده و قدرت خود را از دست می دهند. رزین های پلی استر و وینیل استر در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم تر اما ضعیف تر از رزین اپوکسی هستند.
6. ضد خستگی
اگر قسمتی به طور مکرر خم و راست شود، در نهایت به دلیل خستگی از کار می افتد. فیبر کربن تا حدودی به خستگی حساس است و به طور فاجعهباری از بین میرود، در حالی که Kevlar® در برابر خستگی مقاومتر است. فایبرگلاس جایی در این بین است.
7. مقاومت در برابر سایش
Kevlar® بسیار مقاوم در برابر سایش است که برش را دشوار می کند. یکی از کاربردهای رایج Kevlar® به عنوان دستکش محافظ در مناطقی است که ممکن است دست ها توسط شیشه بریده شوند یا از تیغه های تیز استفاده شود. فیبر کربن و فایبرگلاس مقاومت کمتری دارند.
8. مقاومت شیمیایی
الیاف آرامید به اسیدهای قوی، بازهای قوی و عوامل اکسید کننده خاصی مانند هیپوکلریت سدیم حساس هستند که می توانند باعث تخریب فیبر شوند. سفید کننده های معمولی کلر (مانند Clorox®) و پراکسید هیدروژن را نمی توان با Kevlar® استفاده کرد، سفید کننده های اکسیژن (مانند سدیم پربورات) را می توان بدون آسیب رساندن به الیاف آرامید استفاده کرد.
الیاف کربن بسیار پایدار و غیر حساس به تخریب شیمیایی هستند. با این حال، ماتریس اپوکسی تخریب می شود.
9. عملکرد پیوند ماتریسی
برای عملکرد بهینه فیبر کربن، Kevlar® و شیشه، باید در یک ماتریس، معمولاً اپوکسی، در جای خود قرار گیرند. بنابراین، توانایی رزین های اپوکسی برای پیوند با الیاف مختلف بسیار مهم است.
هر دو الیاف کربن و شیشه به راحتی به اپوکسی می چسبند، اما پیوند فیبر آرامید-اپوکسی به اندازه دلخواه قوی نیست و این کاهش چسبندگی اجازه می دهد تا نفوذ آب رخ دهد. در نتیجه، الیاف آرامید تمایل به جذب آب دارند، که همراه با چسبندگی کمتر از حد ایده آل به اپوکسی، به این معنی است که اگر سطح کامپوزیت Kevlar® آسیب ببیند و آب بتواند وارد آن شود، ممکن است Kevlar® رطوبت را در طول الیاف جذب کند. و مواد کامپوزیت را ضعیف می کند.
