Modulo e resistenza alla trazione delle fibre di rinforzo per materiali compositi di fibra di carbonio, fibra di vetro e fibra di Kevlar

Attualmente, come fibra di rinforzo comune per materiali compositi, ci sono solitamente tre tipi: fibra di carbonio, fibra di vetro e fibra di Kevlar (aramide).

Quando utilizzata per il rinforzo composito, la fibra può definire lo standard di prestazione del materiale ed è responsabile del ruolo portante nella progettazione della struttura, mentre la matrice della resina è principalmente responsabile del trasferimento del carico alla fibra. In breve, la scelta del tipo di fibra è parte integrante del processo di progettazione.

Per i tre tipi di fibre di rinforzo di cui sopra, ci sono spesso migliaia di proprietà che devono essere pesate quando si decide quale materiale utilizzare per un dato progetto.

Quando si sceglie una fibra, fattori e caratteristiche come modulo della fibra, resistenza alla trazione, resistenza alla compressione, tenacità, rigidità, conducibilità elettrica e chimica / corrosione

Sebbene ci siano migliaia di proprietà dei materiali tra cui scegliere, scegliere la fibra giusta all'inizio del progetto allevierà efficacemente le sfide durante tutto il progetto e indicherà le migliori materie prime. Generalmente, le strutture composite utilizzano più di un tipo di fibra per soddisfare i requisiti di progettazione richiesti per l'uso finale. Sebbene ci siano innumerevoli proprietà in fibra che possono definire ulteriormente l'uso finale di una parte strutturale, le seguenti caratteristiche avanzate forniscono funzionalità avanzate per definire gli scopi di progettazione:

Il modulo della fibra si riferisce al cambiamento di lunghezza sperimentato dalla fibra quando sottoposto a carico aumentato.

Questo carico può essere compressivo o di trazione. Il metodo di calcolo è lo stress diviso per deformazione. Il modulo di solito indica la rigidità del materiale. Su una determinata curva di sforzo/deformazione, è chiamata pendenza della linea retta.

La maggior parte delle fibre sono classificate per modulo perché aiuta a determinare la rigidità del materiale composito. Generalmente, i materiali compositi che utilizzano fibra di carbonio, fibra di vetro e Kevlar sono tutti classificati come materiali fragili. Rispetto a più materiali plastici o materiali non fragili, non c'è quasi nessun allungamento in pausa.

La resistenza alla trazione è la capacità di un materiale di resistere ai carichi quando allungato.

È la forza massima o il carico applicato prima che la fibra sia deformata permanentemente. Come mostrato nella figura, la fibra di carbonio presenta vantaggi in rapporto resistenza e peso. Ad esempio, il rapporto forza-peso di Toray T800S è alto fino a 3266, che è elencato nella tabella. Il valore più alto di tutte le fibre di rinforzo. Tuttavia, c'è una differenza significativa tra la fibra di vetro S e la fibra di vetro E.

In termini di densità, il Kevlar è il materiale più leggero. Come mostrato nella tabella sopra, la densità di massa della fibra di Kevlar è solo 1,44 g/cm^3. Anche se il Kevlar ha la resistenza finale più bassa, in termini di rapporto forza/peso, supera quella della fibra di vetro, ma è leggermente inferiore alla fibra di carbonio. Da un punto di vista economico, se la resistenza finale è l'unico criterio di progettazione, allora la fibra di vetro E è la prima scelta.