Kevlar 与碳纤维：关键差异与材料性能对比

Kevlar® 与碳纤维都有引人入胜的历史，展现材料探索与创新。Markforged 热衷探索材料及其组合，释放新潜能，引领增材制造创新。我们凭借专利 CFF（连续丝材制造）工艺，在 FFF Onyx 部件中铺设连续纤维，以金属级强度强化塑料部件。这极大提升部件耐用性与寿命，并通过在最需强度处添加纤维优化强度分布。

让我们更深入了解 Kevlar。

美国陆军案例研究

阅读我们最新的客户成功案例，了解一座美国陆军主要训练基地的应用。

立即下载

Kevlar

提到 Kevlar，多数人联想到防弹背心。您可能不知杜邦™，但该材料由波裔美籍化学家 Stephanie Kwolek 于 1964 年在杜邦™发明。

Kevlar 跨行业应用广泛，日常可见于：

• 汽车与自行车轮胎
• 配重板
• 帆布与绳索
• 手套、袜子、行李箱
• 工作靴
• 刹车片
• 防护装备
• 密封剂

Kevlar 是芳纶家族的合成纤维，耐热。Kevlar 与 Nomex 属此家族。合成纤维通过化学合成挤出成纤，区别于天然纤维。

高模量 Kevlar 主用于光纤电缆、纺织加工、绳索、电缆、塑料增强、航空航天、汽车、国防、能源、消费电子、医疗、重工业等复合应用。海军设施工程司令部探索 Kevlar 绳索用于海洋工程建设，利用其惊人张力强度与浮力创新设计。Kevlar 纤维张力强度与碳纤维相当，模量介于玻璃与碳纤维间，密度低于两者。

Kevlar 芳纶用于需轻量、高强刚度、抗损伤、抗疲劳与应力断裂的高性能复合应用。Markforged 发现用 Kevlar 增强 Onyx、Onyx FR 甚至 Nylon White，能让工程师和部件设计师创造极通用的部件。Kevlar 可在低至 320°F (-196°C) 环境无脆化降解，电子辐射对其无害。但 Kevlar 对紫外线敏感。

设计师利用 CFF 工艺设计部件，可发挥 Kevlar 张力强度（拉伸）超钢丝 8 倍的优势，制造安全、坚固、刚性、轻量、耐环境与工况的部件。

CFF 增强让任何设计师构建金属强度复合部件，延长寿命、在最需处优化强度。Kevlar 拥有极长塑性变形范围，失效时单丝逐个断裂，甚至弯曲倒塌而非脆断。与碳纤维等相比，其失效模式更可预测、更宽容。

Kevlar 纤维独特性质：

• 极低伸长率
• 高张力强度
• 极高强重比
• 优异疲劳抗性
• 宽温域良好表现
• 不熔融；800-900°F (427-482°C) 分解
• 低蠕变
• 无收缩
• 良好化学稳定性
• 高耐磨性
• 横向强度弱（抗压弱）
• 所有 Markforged 丝材中失效模式最不灾难性

冲击抗性

Kevlar 冲击抗性是 ABS 8 倍，同时比其他增强纤维轻 15-20%。

弯曲强度

三点弯曲测试中，3D 打印 Kevlar 比 ABS 强 3 倍、比尼龙强 6 倍。

弯曲刚度

3D 打印 Kevlar 刚度是 ABS 12 倍、尼龙 30 倍。

Kevlar 具卓越耐久性，最适合经历反复突发载荷的部件。刚度媲美玻璃纤维但延展性更强，可用于增材制造的广泛应用：

• 运动鞋
• 机器人与托架
• 末端执行器/夹爪
• 手机壳、个人电子产品
• 液压/气动驱动部件
• 防护装备、头盔；战术、摩托车
• 刹车杠杆、夹具、支架
• 夹具、工装、工件夹持、软爪
• 齿轮、扳手、无人机
• 运动用品配件、锁扣
• 终端部件、消费品等

Dixon Valve 夹爪采用 Onyx 打印并用 Kevlar 增强。材料须足够强传递夹持力、耐反复载荷循环、且不损伤阀门。

3D 打印复合材料利用塑料基体的抗压强度——构成部件主体积的支撑结构——与嵌入纤维的张力强度。两材料相互依存：无纤维，塑料部件仅靠挤出丝材间层间粘结强度；无基体，纤维无结构无法保形。基体为纤维创造杠杆臂以对抗载荷。结合后，它们协同形成在抗压与抗拉上均超越单一材料的复合材料。这对 Kevlar、碳纤维、玻璃纤维、HSHT 玻璃纤维均适用。

现在，让我们更深入了解碳纤维。

碳纤维

碳纤维丝材由碳原子按晶体结构排列组成。因极高刚度与强度，广泛用于航空航天与汽车。其强重比位居存在材料之首——超越钢与钛。

阅读免费复合材料设计指南

强重比

对比 6061 铝合金，3D 打印碳纤维在弯曲下强重比高 50%，在张力下高 300%。

弯曲强度

三点弯曲中，3D 打印碳纤维比 ABS 强 8 倍，比铝屈服强度高 20%。

弯曲刚度

3D 打印碳纤维丝材刚度是 ABS 25 倍，是其他 Markforged 增强纤维的 2 倍。

碳纤维材料特性：

• Markforged 3D 打印碳纤维等同于 6061 铝屈服强度
• 在铝开始塑性变形的应力下失效
• 卸载后恢复原形，而铝发生塑性变形
• 高刚度、高强重比
• 导电
• 耐腐蚀、耐热
• 断裂前保持刚性（失效突发、不可预测）
• 理想载荷为恒定——持续支撑已知力

碳纤维卓越性能使其在重量敏感应用中替代金属。各行业均可利用 CFF 与碳纤维打印极强部件。生成式设计结合 Markforged CFF 让设计师探索多重优化解，从设计与强度视角选取最佳方案。

碳纤维应用广泛：航空航天、汽车、建筑、消费品、医疗、能源、国防、电子、工业机械等，适配增材制造，列举几例：

• 机器人与机械臂
• 末端执行器、夹爪、软爪
• 检测夹具、焊接夹具、三坐标测量夹具
• 成型工具
• 自行车及部件
• 高端赛车应用

参考 Haddington Dynamics 案例：用连续碳纤维增强的 3D 打印机械臂，刚度与轻量化达 50 微米精度。碳纤维 3D 打印机助其将零件数从 800 降至 70 以下。

如需进一步帮助或建议选择最适合您应用的增强纤维，请联系我们。立即申请 Kevlar 或碳纤维样件。

参考文献：

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.