Kevlar против углеродного волокна: ключевые различия и производительность материалов

И Kevlar®, и углеродное волокно имеют интересные истории, демонстрирующие исследование материалов и инновации. В Markforged мы любим исследовать материалы и их комбинации, раскрывая новый потенциал и лидируя развитием инноваций в индустрии аддитивного производства. Мы лидеры в 3D-печати непрерывных волокон с нашей запатентованной технологией CFF (Continuous Filament Fabrication), которая укладывает непрерывные пряди волокна в FFF-деталь из Onyx для эффективного усиления пластиковых деталей металлической прочностью. Это драматически увеличивает долговечность и срок службы детали и оптимизирует профиль прочности, добавляя волокна там, где прочность нужна больше всего.

Давайте глубже познакомимся с Kevlar.

Kevlar

О чём вы думаете, слыша имя Kevlar? Большинство думают о бронежилетах. Можно не думать о DuPont™, но этот материал был разработан DuPont™ в 1964 году польско-американским химиком Стефани Кволек.

Знаете ли вы, что у Kevlar есть ряд разных применений по отраслям? Его можно найти в повседневных приложениях, таких как:

• Шины для автомобилей и велосипедов
• Плиты для весов
• Паруса и канаты
• Перчатки, носки и багаж
• Рабочие сапоги
• Тормозные колодки
• Защитное оборудование
• Герметики

Kevlar — синтетическое волокно из группы арамидных волокон, которое термоустойчиво. Kevlar и Nomex входят в эту группу. Синтетические волокна — волокна, синтезированные через химический синтез, в отличие от натуральных волокон, полученных из живых организмов. Синтетические волокна создаются экструзией волокнообразующего материала через спиннереты, формируя волокно.

Высокомодульный тип Kevlar используется в основном в волоконно-оптических кабелях, текстильной обработке, канатах, тросовых изделиях, пластиковом армировании и композитных приложениях для аэрокосмики, авто, обороны, энергетики, потребительских товаров, электроники, медицины и тяжёлой промышленности. Командование naval facilities engineering исследовало возможности Kevlar-канатов для океанской инженерии и строительства, что привело к инновационным дизайнам и приложениям, предоставляемым невероятной 텐сильной прочностью и плавучестью Kevlar. Kevlar-волокно имеет тенсильную прочность, сопоставимую с углеродным волокном, модуль между стекловолокном и углеродным волокном и меньшую плотность, чем у обоих.

Kevlar-арамид используется для высокопроизводительных композитных приложений, где важны лёгкость, высокая прочность и жёсткость, устойчивость к повреждениям, и устойчивость к усталости и напряжённому разрыву. Markforged обнаружило, что армирование Onyx, Onyx FR и даже Nylon White с Kevlar позволяет инженерам и дизайнерам деталей создавать исключительно универсальные детали. Kevlar может претерпевать значительные изменения в низкотемпературных средах, до 320°F (-196°C), и не показывать ломкости или деградации, и в средах с электронным излучением, так как электронное излучение не вредно для Kevlar. Однако Kevlar чувствителен к УФ (ультрафиолетовому) свету.

Дизайнеры могут разрабатывать детали, которые безопасны, прочны, жёстки, лёгки и толерантны к среде, приложению и нагрузочным условиям, печатая с непрерывными волокнами. Проектируя детали с процессом CFF (Continuous Filament Fabrication), дизайнеры могут использовать тенсильную прочность Kevlar (растяжение или тяга), которая более чем в 8 раз превышает стальную проволоку.

Армирование с CFF позволяет любому дизайнеру строить композитные детали с металлической прочностью, увеличивать долговечность детали (срок службы) и оптимизировать прочность детали там, где она нужна больше всего. Kevlar также имеет очень длинный диапазон пластической деформации и когда он ломается, он делает это по одной прядке за раз и даже сгибается или падает вместо того, чтобы ломаться. У него гораздо более предсказуемый и прощающий режим отказа по сравнению с другими волокнами вроде углеродного волокна.

Уникальные свойства волокон Kevlar:

• Очень низкое удлинение
• Высокая тенсильная прочность
• Очень высокое соотношение прочность/вес
• Отличная усталостная устойчивость
• Хорошая производительность в широком температурном диапазоне
• Не плавится; разлагается при 800°F – 900°F (427°C – 482°C)
• Низкий крип
• Нет усадки
• Хорошая химическая стабильность
• Высокая износостойкость
• Слабая прочность в поперечном направлении (слабая в сжатии)
• Наименее катастрофический режим отказа среди всех филаментов Markforged

Ударная устойчивость

Kevlar в 8 раз более удароустойчив, чем ABS, оставаясь на 15–20% легче наших других армирующих волокон.

Изгибная прочность

При трёх-точечном изгибе 3D-печатный Kevlar в 3 раза прочнее ABS и в 6 раз прочнее нейлона.

Изгибная жёсткость

3D-печатный Kevlar в 12 раз жёстче ABS и в 30 раз жёстче нейлона.

Kevlar обладает отличной долговечностью, делая его оптимальным для деталей, переживающих повторные и внезапные нагрузки. Такая же жёсткая, как стекловолокно, и гораздо более дюктайльная, она может использоваться для широкого спектра приложений, адаптированных для аддитивного производства, таких как:

• Спортивная обувь
• Робототехника и крэдлы
• Эндеффекторы/захваты
• Чехлы для смартфонов, персональная электроника
• Детали, приводимые в действие гидравликой или пневматикой
• Защитная экипировка, каски; боевые, мотоциклетные
• Тормозные рычаги, зажимы, крепления
• Приспособления, инструменты, зажимные устройства, мягкие челюсти
• Шестерёнки, ключи, дроны
• Спортивные товары и аксессуары, карбинеры
• Конечные детали, потребительские продукты и т.д.

Захваты Dixon Valve печатаются с Onyx и армируются Kevlar. Материал должен быть достаточно прочным для передачи зажимной силы, долговечным через повторные циклы нагрузки и не повреждающим клапаны.

Композиты в 3D-печати используют сжимательную прочность пластиковой матрицы — поддерживающей структуры, составляющей большую часть объёма детали — и тенсильную прочность встроенных волокон. Эти два материала взаимозависимы: без волокна пластиковая деталь только такая прочная, как адгезия внутри и между экструдированными пластиковыми прядями. Без матрицы волокно не имеет структуры и поэтому не сохраняет свою форму. Матрица создаёт пространство, так что волокно имеет рычаг для стабилизации против нагрузки. Когда комбинированы, они синергизируют в композит с большей прочностью в сжатии и растяжении, чем любой может предложить индивидуально. Это верно для всех наших волокон: Kevlar, углеродное волокно, стекловолокно и HSHT стекловолокно.

Теперь давайте глубже познакомимся с углеродным волокном.

Углеродное волокно

Филамент из углеродного волокна состоит из атомов углерода, организованных в кристаллическую структуру. Благодаря своей очень высокой жёсткости и прочности, оно широко используется в аэрокосмических и авто отраслях. У него одно из самых высоких соотношений прочность/вес в существовании — выше, чем у стали и титана.

Прочитайте наш бесплатный Composites Design Guide

Соотношение прочность/вес

По сравнению с алюминием 6061, 3D-печатное углеродное волокно имеет на 50% выше соотношение прочность/вес в изгибе и на 300% выше в растяжении.

Изгибная прочность

При трёх-точечном изгибе наш 3D-печатный углеродный филамент в 8 раз прочнее ABS и на 20% прочнее предела текучести алюминия.

Изгибная жёсткость

3D-печатный углеродный филамент в 25 раз жёстче ABS и в 2 раза жёстче остальных армирующих волокон Markforged.

Характеристики материала углеродного волокна:

• Markforged 3D-печатное углеродное волокно равно пределу текучести алюминия 6061
• Оно ломается при том же напряжении, при котором алюминий начинает пластически деформироваться
• Углеродное волокно возвращается в исходную форму после снятия нагрузки, в то время как алюминий пластически деформируется
• Высокая жёсткость и высокое соотношение прочность/вес
• Электропроводящее
• Коррозионно- и теплоустойчивое
• Жёсткое до разрушения (отказ внезапный и непредсказуемый)
• Идеальная нагрузка постоянна — поддержка известной силы все время

Невероятные свойства углеродного волокна позволяют использовать его как замену металла в приложениях, где важна экономия веса. Каждая индустрия теперь имеет возможность использовать CFF с углеродным волокном и печатать невероятно прочные детали. Генеративный дизайн также предлагает преимущества в комбинации с Markforged CFF, позволяя дизайнерам исследовать множественные оптимизированные решения и иметь возможность выбрать лучший дизайн, адаптированный для его использования с обеих перспектив — дизайна и прочности.

Углеродное волокно может использоваться для широкого спектра приложений: аэрокосмика, авто, архитектура и строительство, потребительские товары, медицина, энергетика, оборона, электроника, промышленные машины и т.д., адаптированных для аддитивного производства, и этому списку нет конца, так что вот лишь несколько:

• Робототехника и роботизированные руки
• Эндеффекторы, захваты и мягкие челюсти
• Инспекционные приспособления, сварные приспособления, приспособления КИМ
• Формовочные инструменты
• Велосипеды и их компоненты
• Высококонцевые моторспортивные приложения

Посмотрите кейс Haddington Dynamics — 3D-печатная роботизированная рука, армированная непрерывным углеродным филаментом, достаточно жёсткая и лёгкая для точности 50 микрон. Используя принтер для углеродного волокна, компания смогла сократить количество деталей с 800 до менее 70.

Обратитесь к нам за дальнейшей помощью или советом о том, какое армирующее волокно наиболее подходит для вашего приложения. Закажите образец Kevlar или углеродного волокна сегодня.

Список литературы:

1. Ferer, M. Kenneth and Swenson, C. Richard, «Design Guide for Selection and Specification of Kevlar Rope for Ocean Engineering and Construction», Pages v, 9, 39, https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a163255.pdf, Jul. 1976, Naval Research Laboratory, Naval Facilities, Engineering Command, Washington, DC.
2. Smith, F. William, 1996, «Principles of Materials Science and Engineering, Third Edition», McGraw-Hill, Inc., Page 774, ISBN- 0-07-059241-1.
3. DuPont™. DuPont™ Kevlar Applications - "The Kevlar® Journey, Top To Bottom". YouTube, Aug. 2014. https://youtu.be/hIqKoZLL4QU?t=90.
4. DuPont™. 2017, Kevlar Aramid Fiber Technical Guide, Pages 12, 14, 16, https://www.DuPont™.com/content/dam/DuPont™/products-and-services/fabrics-fibers-and-nonwovens/fibers/documents/Kevlar_Technical_Guide_0319.pdf
5. Science Channel. "Watch In Slow-Motion As Kevlar Fibers Are Put To The Test." YouTube, Jun. 2017, https://youtu.be/ybgMEjl9j-g.
6. Yeung, K. K., and Rao, K. P., "Mechanical Properties of Kevlar Fibre Reinforced Thermoplastic Composites", Page 411, https://pdfs.semanticscholar.org/fa3f/845bb8b7230c6d82b29392c8c5baf7da10d5.pdf, Jan. 29, 2010, Department of Mechanical and Biomedical Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China
7. Wikipedia contributors. "Kevlar." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 11 Aug. 2019. Web. 16 Sep. 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar#History.
8. Wikipedia contributors. "Aramid." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 8 Sep. 2019. Web. 16 Sep. 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Aramid.
9. Wikipedia contributors. "Synthetic fiber." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 7 Sep. 2019. Web. 16 Sep. 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_fiber.
10. Williams Bryan, Attwood Louise, Treuherz Pauline, 2017, "Design and Technology: All Materials Categories and Systems, Fire Resistant Materials", 2017.