В чем разница между кевларом® и углеродным волокном?

США. Пример использования армии

‍

Кевлар ‍

О чем вы думаете, когда слышите название кевлар? Большинство людей думают о пуленепробиваемых жилетах. Вы можете не подумать DuPont ™, но этот материал был разработан DuPont ™ еще в 1964 году польско-американским химиком Стефани Кволек.

‍
Знаете ли вы, что кевлар может использоваться по-разному в разных отраслях? Вы можете найти его в повседневных приложениях, например:

- Шины для автомобилей и велосипедов

- Таблички для гирь

- Паруса и канат

- Перчатки, носки и багаж

- Ботинки рабочие

- Тормозные колодки

- Защитное снаряжение

- Герметики

Кевлар - это синтетическое волокно, которое относится к группе термостойких арамидных волокон. Кевлар и Номекс входят в эту группу. Синтетические волокна - это волокна, синтезированные путем химического синтеза, в отличие от натуральных волокон, полученных из живых организмов. Синтетические волокна получают путем выдавливания волокнообразующего материала через фильеры, формируя волокна.

Кевлар имеет высокомодульный тип, используемый в основном в волоконно-оптических кабелях, обработке текстиля, канатах, кабелях, армировании пластмасс и композитных материалах для аэрокосмической, автомобильной, оборонной, энергетической, бытовой, электронной, медицинской и тяжелой промышленности и многих других. Инженерное командование военно-морских сооружений изучило возможности использования кевларового каната в океанотехнике и строительстве, в результате чего были разработаны инновационные конструкции и приложения, обеспечиваемые невероятной прочностью на растяжение и плавучестью кевлара. Кевларовое волокно имеет прочность на разрыв, сравнимую с прочностью углеродного волокна, модуль упругости между стекловолокном и углеродным волокном и более низкую плотность, чем у обоих.

Кевлар-арамид используется для высокоэффективных композитных материалов, где важны легкий вес, высокая прочность и жесткость, устойчивость к повреждениям и устойчивость к усталости и разрушению под напряжением. Markforged обнаруживает, что усиление оникса, оникса FR и даже Nylon White с помощью кевлара позволяет инженерам и проектировщикам деталей создавать чрезвычайно универсальные детали. Кевлар может претерпевать значительные изменения в низкотемпературных средах до 320 ° F (-196 ° C) и не проявлять хрупкости или разрушения, а также в средах с электронным излучением, поскольку электронное излучение не вредит кевлару. Однако кевлар чувствителен к УФ (ультрафиолетовому) свету.

Дизайнеры могут разработать детали, которые будут безопасными, прочными, жесткими, легкими и устойчивыми к окружающей среде, условиям применения и нагрузки, печатая с использованием непрерывных волокон. Разрабатывая детали с помощью процесса CFF (производство непрерывных волокон), разработчики могут использовать прочность кевлара на растяжение (растяжение или растяжение), которая более чем в восемь раз превышает прочность стальной проволоки.

Армирование CFF позволяет любому проектировщику создавать композитные детали с прочностью металла, увеличивать долговечность детали (срок службы) и оптимизировать прочность детали там, где это больше всего необходимо. Кевлар также имеет очень большой диапазон пластической деформации, и когда он выходит из строя, он делает это по одной нити за раз и даже сгибается или падает вместо того, чтобы сломаться. По сравнению с другими волокнами, такими как углеродное волокно, у него гораздо более предсказуемый и простительный режим отказа.

Уникальные свойства волокон кевлара:

- Очень низкая растяжка

- Высокая прочность на разрыв

- Очень высокое отношение прочности к весу

- Отличная устойчивость к усталости

- Хорошая производительность в большом диапазоне температур

- Не тает; разлагается при температуре от 427 до 482 ° C (800–900 ° F)

- Низкая ползучесть

- Без усадки

- Хорошая химическая стабильность

- Высокая стойкость к истиранию

- Слабая прочность в поперечном направлении (слабая прочность на сжатие)

- Режим наименьшего катастрофического отказа среди всех нитей Markforged

Ударопрочность

Кевлар в 8 раз более устойчив к ударам, чем АБС, но при этом на 15-20% легче других наших армирующих волокон.

Прочность на изгиб

При трехточечном изгибе кевлар, напечатанный на 3D-принтере, в 3 раза прочнее АБС и в 6 раз прочнее нейлона.

Жесткость при изгибе

Кевлар, напечатанный на 3D-принтере, в 12 раз жестче, чем ABS, и в 30 раз жестче, чем нейлон.

Кевлар обладает превосходной прочностью, что делает его оптимальным для деталей, которые подвергаются многократным и внезапным нагрузкам. Такой же жесткий, как стекловолокно, и гораздо более пластичный, он может использоваться в самых разных областях, связанных с аддитивным производством, таких как:

- Спортивная обувь

- Робототехника и люльки

- Концевые эффекторы / захваты

- Чехлы для смартфонов, личная электроника

- Детали, предназначенные для привода от гидравлики или пневматики

- Защитное снаряжение, каски; боевой, мотоцикл

- Тормозные рычаги, фиксаторы, крепления

- Приспособления, оснастка, зажимные приспособления, мягкие губки

- Шестерни, гаечные ключи, дроны

- Спортивные товары и аксессуары, карабины

- Части конечного использования, потребительские товары и т. Д.

Захваты клапана Dixon напечатаны ониксом и усилены кевларом. Материал должен быть достаточно прочным, чтобы передавать усилие зажима, выдерживать повторяющиеся циклы нагружения и не повредить клапаны.

Композиты в 3D-печати используют преимущества прочности на сжатие пластиковой матрицы - опорной структуры, которая составляет большую часть объема детали, - и прочности на разрыв встроенных волокон. Эти два материала взаимозависимы:без волокна прочность пластмассовой детали определяется степенью адгезии внутри и между экструдированными пластиковыми нитями. Без матрицы волокно не имеет структуры и, следовательно, не может сохранять свою форму. Матрица создает пространство, так что волокно имеет рычаг для стабилизации нагрузки. В сочетании они взаимодействуют друг с другом, образуя композит с большей прочностью как на сжатие, так и на растяжение, чем каждый из них может предложить по отдельности. Это верно для всех наших волокон; Кевлар, углеродное волокно, стекловолокно и стекловолокно HSHT.

А теперь давайте подробнее рассмотрим наше понимание углеродного волокна.

Углеродное волокно

Нить из углеродного волокна состоит из атомов углерода, организованных в кристаллическую структуру. Благодаря очень высокой жесткости и прочности он широко используется в аэрокосмической и автомобильной промышленности. У него одно из самых высоких соотношений прочности к весу - выше, чем у стали и титана.

Прочтите наше бесплатное руководство по созданию композитов

Отношение прочности к весу

По сравнению с алюминием 6061, углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, имеет на 50% более высокое отношение прочности к весу при изгибе и на 300% выше при растяжении.

Прочность на изгиб

При трехточечном изгибе наше углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, в 8 раз прочнее, чем ABS, и на 20% прочнее алюминия.

Жесткость при изгибе

Напечатанная на 3D-принтере углеродная нить в 25 раз жестче, чем ABS, и в 2 раза жестче, чем остальные армирующие волокна Markforged.

Характеристики материала углеродного волокна:

• Углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере Markforged, равно пределу текучести алюминия 6061
• Он выходит из строя при том же напряжении, при котором алюминий начинает пластически деформироваться.
• Углеродное волокно вернется к своей первоначальной форме после снятия нагрузки, в то время как алюминий пластически деформируется.
• Высокая жесткость и высокая удельная масса.
• Проводящий электричество
• Устойчивость к коррозии и нагреванию.
• Жесткость до разрушения (разрушение происходит внезапно и непредсказуемо)
• Идеальная нагрузка - постоянная - постоянная поддержка известной силы.
  

Невероятные свойства углеродного волокна позволяют использовать его в качестве замены металла там, где важна экономия веса. Теперь у каждой отрасли есть возможность использовать CFF с углеродным волокном и печатать невероятно прочные детали. Генеративный дизайн также предлагает преимущества в сочетании с Markforged CFF, который позволяет дизайнерам исследовать несколько оптимизированных решений и иметь возможность выбрать лучший дизайн, адаптированный для его использования, как с точки зрения дизайна, так и с точки зрения прочности.

Углеродное волокно можно использовать для самых разных целей; аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, архитектура и строительство, товары народного потребления, медицина, энергетика, оборона, электроника, промышленное оборудование и т. д., адаптированные для аддитивного производства, и этому списку нет конца, поэтому вот лишь некоторые из них:

• Робототехника и роботизированные руки
• Концевые эффекторы, захваты и мягкие губки.
• Инспекционные приспособления, приспособления для сварки и приспособления для КИМ.
• Инструменты формования
• Велосипеды и их компоненты
• Высококачественные приложения для автоспорта.

Взгляните на вариант использования Haddington Dynamics - роботизированную руку, напечатанную на 3D-принтере, армированную непрерывной нитью из углеродного волокна, достаточно жесткую и легкую, чтобы роботизированная рука имела точность 50 микрон. Используя 3D-принтер из углеродного волокна, компания смогла сократить количество деталей с 800 до менее 70.

Обращайтесь к нам за дополнительной помощью или советом о том, какое армирующее волокно лучше всего подходит для вашего применения. Закажите сегодня образец кевлара или углеродного волокна.

Справочный список:

1. Феррер, М. Кеннет и Свенсон, К. Ричард, «Руководство по выбору и спецификации кевларового каната для проектирования и строительства океана», страницы v, 9, 39, https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a163255.pdf , июль 1976 г., Военно-морская исследовательская лаборатория, Военно-морские объекты, Инженерное командование, Вашингтон, округ Колумбия.
2. Смит, Ф. Уильям, 1996 г., «Принципы материаловедения и инженерии, третье издание», McGraw-Hill, Inc., стр. 774, ISBN-0-07-059241-1.
3. DuPont ™. Применение кевлара DuPont ™ - «Путь кевлара®, сверху вниз». YouTube, август 2014 г. https://youtu.be/hIqKoZLL4QU?t=90 .
4. DuPont ™. 2017, Техническое руководство по кевларовому арамидному волокну, страницы 12, 14, 16, https://www.DuPont Controller.com/content/dam/DuPont Controller/products-and-services/fabrics-fibers-and-nonwovens/fibers/documents/Kevlar_Technical_Guide_0319.pdf
5. Научный канал. «Смотрите в замедленном режиме, как кевларовые волокна проходят испытания». YouTube, июнь 2017 г. https://youtu.be/ybgMEjl9j-g .
6. Йунг К. К. и Рао К. П. «Механические свойства термопластичных композитов, армированных кевларовым волокном», стр. 411, https://pdfs.semanticscholar.org/fa3f/845bb8b7230c6d82b29392c8c5baf7da10d5.pdf , 29 января 2010 г., факультет механической и биомедицинской инженерии, Городской университет Гонконга, САР Гонконг, Китай
7. Авторы Википедии. «Кевлар». Википедия, свободная энциклопедия. Википедия, Бесплатная энциклопедия, 11 августа 2019 г., Интернет. 16 сентября 2019 г. https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar#History .
8. Авторы Википедии. «Арамид». Википедия, свободная энциклопедия. Википедия, Бесплатная энциклопедия, 8 сентября 2019 г., Web. 16 сентября 2019 г. https://en.wikipedia.org/wiki/Aramid .
9. Авторы Википедии. "Синтетическое волокно." Википедия, свободная энциклопедия. Википедия, Бесплатная энциклопедия, 7 сентября 2019 г., Web. 16 сентября 2019 г. https://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_fiber .
10. Уильямс Брайан, Аттвуд Луиза, Треухерц Полин, 2017 г., «Дизайн и технологии:все категории и системы материалов, огнестойкие материалы», 2017 г. ‍