Welches Material ist besser, Kohlefaser, Glasfaser oder Aramid?
Wenn man die Dichten der drei Materialien vergleicht, erkennt man deutliche Unterschiede zwischen den drei Fasern. Wenn Sie drei Proben mit genau der gleichen Größe und dem gleichen Gewicht herstellen, wird schnell klar, dass die Kevlar®-Faser viel leichter ist, gefolgt von der Kohlefaser und der E-Glasfaser, die am schwersten ist.
Daher kann bei gleichem Gewicht des Verbundmaterials mit Kohlefaser oder Kevlar® eine höhere Festigkeit erreicht werden. Mit anderen Worten: Jede Struktur, die eine bestimmte Festigkeit erfordert und aus Kohlefaser- oder Kevlar®-Verbundwerkstoffen besteht, ist kleiner oder dünner als eine Struktur aus Glasfaser.
Bei der Herstellung und Prüfung von Proben stellte sich heraus, dass der Glasfaserverbundstoff fast doppelt so schwer war wie Kevlar®- oder Kohlefaserlaminate. Das bedeutet, dass durch den Einsatz von Kevlar® oder Kohlefaser viel Gewicht eingespart werden kann.
Der Elastizitätsmodul ist ein Maß für die Steifigkeit eines elastischen Materials und eine Möglichkeit, ein Material zu beschreiben. Sie ist definiert als das Verhältnis der einachsigen Spannung (in einer Richtung) zur einachsigen Dehnung (Verformung in die gleiche Richtung). Elastizitätsmodul=Spannung/Dehnung, was bedeutet, dass ein Material mit einem hohen Elastizitätsmodul härter ist als ein Material mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul.
Kohlefaser, Kevlar® und Glasfaser unterscheiden sich stark in der Steifigkeit. Kohlefaser ist etwa doppelt so steif wie Aramidfaser und fünfmal steifer als Glasfaser. Der Nachteil der überlegenen Steifigkeit von Kohlefaser besteht darin, dass sie tendenziell spröder ist. Wenn es versagt, zeigt es in der Regel keine große Belastung oder Verformung.
3. Entflammbarkeit und thermischer Abbau
Sowohl Kevlar® als auch Kohlefaser sind beständig gegen hohe Temperaturen und haben keinen Schmelzpunkt. Beide Materialien wurden in Schutzkleidung und feuerfesten Stoffen verwendet. Glasfaser schmilzt irgendwann, ist aber auch gegenüber hohen Temperaturen sehr beständig. Natürlich verbessert die Verwendung von mattiertem Fiberglas in Gebäuden auch die Feuerbeständigkeit.
Kohlefaser und Kevlar® werden zur Herstellung von Feuerlösch- oder Schweißerdecken oder -kleidung verwendet. Kevlar-Handschuhe werden in der Fleischindustrie häufig zum Schutz der Hände beim Umgang mit Messern verwendet. Da Fasern selten allein verwendet werden, ist auch die Hitzebeständigkeit der Matrix (meist Epoxidharz) wichtig. Epoxidharze erweichen bei Hitzeeinwirkung schnell.
4. Leitfähigkeit
Kohlefaser leitet Strom, Kevlar® und Glasfaser jedoch nicht. Kevlar® wird für Abspannseile in Sendemasten verwendet. Obwohl es keinen Strom leitet, nimmt es Wasser auf, und Wasser leitet Strom. Daher muss bei solchen Anwendungen eine wasserdichte Beschichtung auf Kevlar aufgetragen werden.
Da Kohlefaser Elektrizität leitet, wird galvanische Korrosion zum Problem, wenn sie mit anderen Metallteilen in Kontakt kommt.
5. UV-Abbau
Aramidfasern zersetzen sich im Sonnenlicht und in Umgebungen mit hoher UV-Strahlung. Kohlenstoff- oder Glasfasern sind gegenüber UV-Strahlung nicht sehr empfindlich. Allerdings werden einige häufig verwendete Substrate wie Epoxidharz weißlich und verlieren an Festigkeit, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Polyester- und Vinylesterharze sind beständiger gegen UV-Strahlen, aber schwächer als Epoxidharz.
6. Anti-Müdigkeit
Wenn ein Teil wiederholt gebogen und begradigt wird, wird es schließlich aufgrund von Ermüdung versagen. Kohlefaser ist relativ empfindlich gegenüber Ermüdung und neigt dazu, katastrophal zu versagen, wohingegen Kevlar® widerstandsfähiger gegen Ermüdung ist. Glasfaser liegt irgendwo dazwischen.
7. Verschleißfestigkeit
Kevlar® ist sehr abriebfest, was das Schneiden erschwert. Eine der häufigsten Anwendungen von Kevlar® sind Schutzhandschuhe in Bereichen, in denen die Hände durch Glas verletzt werden können oder in denen scharfe Klingen verwendet werden. Kohlefaser und Glasfaser sind weniger widerstandsfähig.
8. Chemische Beständigkeit
Aramidfasern reagieren empfindlich auf starke Säuren, starke Basen und bestimmte Oxidationsmittel wie Natriumhypochlorit, was zu einer Verschlechterung der Fasern führen kann. Herkömmliche Chlorbleichmittel (wie Clorox®) und Wasserstoffperoxid können nicht mit Kevlar® verwendet werden, Sauerstoffbleichmittel (wie Natriumperborat) können verwendet werden, ohne die Aramidfasern zu beschädigen.
Kohlenstofffasern sind sehr stabil und unempfindlich gegenüber chemischem Abbau. Die Epoxidmatrix wird jedoch abgebaut.
9. Leistung der Matrixbindung
Damit Kohlefaser, Kevlar® und Glas optimal funktionieren, müssen sie in einer Matrix, normalerweise einem Epoxidharz, an Ort und Stelle gehalten werden. Daher ist die Fähigkeit von Epoxidharzen, sich mit verschiedenen Fasern zu verbinden, von entscheidender Bedeutung.
Sowohl Kohlenstoff- als auch Glasfasern haften leicht an Epoxidharz, aber die Bindung zwischen Aramidfaser und Epoxidharz ist nicht so stark wie gewünscht, und diese verringerte Haftung ermöglicht das Eindringen von Wasser. Infolgedessen neigen Aramidfasern dazu, Wasser zu absorbieren, was zusammen mit der nicht idealen Haftung an Epoxidharz dazu führt, dass Kevlar® Feuchtigkeit entlang der Fasern absorbieren kann, wenn die Oberfläche des Kevlar®-Verbundwerkstoffs beschädigt ist und Wasser eindringen kann. und das Verbundmaterial schwächen.
