Kevlar® 和碳纤维有什么区别？

美国陆军案例研究

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凯夫拉纤维 ‍

当你听到凯夫拉这个名字时，你会想到什么？大多数人会想到防弹背心。您可能不会想到 DuPont™，但这种材料是 DuPont™ 于 1964 年由波兰裔美国化学家 Stephanie Kwolek 开发的。

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您知道凯夫拉尔在各行业有多种不同用途吗？您可以在日常应用程序中找到它，例如：

- 汽车和自行车轮胎

- 配重板

- 帆和绳

- 手套、袜子和行李

- 工作靴

- 刹车片

- 防护装备

- 密封胶

芳纶是一种合成纤维，属于耐热的芳纶纤维组。 Kevlar 和 Nomex 是该组的一部分。合成纤维是通过化学合成合成的纤维，与源自生物体的天然纤维相反。合成纤维是通过喷丝头挤出成纤材料，形成纤维。

Kevlar 具有高模量类型，主要用于航空航天、汽车、国防、能源、消费、电子、医疗和重工业等领域的光纤电缆、纺织加工、绳索、电缆、塑料增强和复合材料应用。海军设施工程司令部探索了用于海洋工程和建筑的 Kevlar 绳索功能，从而产生了由 Kevlar 令人难以置信的抗拉强度和浮力提供的创新设计和应用。凯夫拉纤维的抗拉强度与碳纤维相当，模量介于玻璃和碳纤维之间，密度低于两者。

Kevlar 芳纶用于高性能复合材料应用，其中轻质、高强度和刚度、抗损伤性以及抗疲劳和应力断裂性能很重要。 Markforged 发现，用 Kevlar 增强 Onyx、Onyx FR 甚至 Nylon White 可以让工程师和零件设计师创造出极其通用的零件。 Kevlar 在低至 320°F (-196°C) 的低温环境和有电子辐射的环境中不会发生脆化或降解，因为电子辐射对 Kevlar 无害，因此 Kevlar 可以发生显着变化。但是，Kevlar 对 UV（紫外线）光很敏感。

通过使用连续纤维打印，设计师可以开发出安全、坚固、坚硬、轻便且能够耐受环境、应用和负载条件的零件。通过使用 CFF（连续长丝制造）工艺设计零件，设计师可以利用 Kevlar 的抗拉强度（拉伸或拉动）是钢丝的 8 倍以上。

使用 CFF 进行加固使任何设计师都能构建具有金属强度的复合部件，增加部件的耐用性（使用寿命）并在最需要的地方优化部件的强度。 Kevlar 还具有很长的塑性变形范围，当它失败时，它一次只做一根，甚至会弯曲或翻倒而不是折断。与碳纤维等其他纤维相比，它具有更可预测和可原谅的故障模式。

凯夫拉纤维的独特性能：

- 非常低的拉伸

- 高抗拉强度

- 非常高的强度重量比

- 优异的抗疲劳性

- 大温度范围内的良好性能

- 不熔化；将在 800°F - 900°F（427°C 至 482°C）分解

- 低蠕变

- 无收缩

- 良好的化学稳定性

- 高度耐磨

- 横向强度弱（抗压强度弱）

- 所有 Markforged 灯丝中灾难性最低的故障模式

抗冲击

Kevlar 的抗冲击性比 ABS 高 8 倍，同时比我们的其他增强纤维轻 15-20%。

抗弯强度

在三点弯曲方面，3D 打印的 Kevlar 比 ABS 强 3 倍，比尼龙强 6 倍。

抗弯刚度

3D 打印的 Kevlar 比 ABS 硬 12 倍，比尼龙硬 30 倍。

Kevlar 具有出色的耐用性，非常适合承受反复和突然加载的部件。它与玻璃纤维一样坚硬且更具延展性，可用于为增材制造量身定制的各种应用，例如：

- 运动鞋

- 机器人和摇篮

- 末端执行器/夹具

- 智能手机壳、个人电子产品

- 设计为由液压或气动驱动的零件

- 防护装备、头盔；战斗，摩托车

- 刹车杆、夹子、支架

- 夹具、工具、工件夹具、软夹爪

- 齿轮、扳手、无人机

- 体育用品及配件、登山扣

- 最终用途零件、消费品等...

Dixon Valve 夹具采用缟玛瑙印刷，并采用 Kevlar 加固。材料必须足够坚固以传递夹紧力，在重复加载循环中经久耐用，并且不会损坏阀门。

3D 打印中的复合材料利用了塑料基质的抗压强度——构成大部分零件体积的支撑结构——以及嵌入纤维的抗拉强度。这两种材料相互依赖：如果没有纤维，塑料部件的强度取决于挤出塑料股线内部和之间的粘合力。没有基质，纤维就没有结构，因此不会保持其形状。矩阵创造了空间，使纤维有一个杠杆臂来稳定负载。当组合在一起时，它们会协同形成一种复合材料，其压缩和拉伸强度都比单独提供的强度更高。这适用于我们所有的纤维； Kevlar、碳纤维、玻璃纤维和 HSHT 玻璃纤维。

现在，让我们进一步探索我们对碳纤维的理解。

碳纤维

碳纤维长丝由组织成晶体结构的碳原子组成。由于其非常高的刚度和强度，它被广泛应用于航空航天和汽车工业。它具有现有最高的强度重量比之一——高于钢和钛。

阅读我们的免费复合材料设计指南

强度重量比

与 6061 铝相比，3D 打印碳纤维的弯曲强度重量比提高了 50%，拉伸强度提高了 300%。

抗弯强度

在三点弯曲中，我们的 3D 打印碳纤维比 ABS 强 8 倍，比铝强 20%。

抗弯刚度

3D 打印的碳纤维长丝比 ABS 的刚性高 25 倍，比 Markforged 其他增强纤维的刚性高 2 倍。

碳纤维材料特性：

• Markforged 3D 打印碳纤维相当于 6061 铝的屈服强度
• 它在相同的应力下失效 铝开始塑性变形。
• 当铝发生塑性变形时，碳纤维将在移除负载后恢复其原始形状
• 高刚度和高强度重量比
• 导电
• 耐腐蚀和耐热
• 僵硬直至断裂（失败是突然的且不可预测）
• 理想的负载是恒定的 - 始终支持已知的力。
  

碳纤维令人难以置信的特性使其在重量减轻很重要的应用中用作金属替代品。现在，每个行业都有能力利用 CFF 和碳纤维打印非常坚固的零件。当与 Markforged CFF 结合使用时，衍生式设计还提供了优势，使设计师能够探索多种优化的解决方案，并能够从设计和强度的角度选择适合其使用的最佳设计。

碳纤维可用于多种应用；航空航天、汽车、建筑和建筑、消费品、医疗、能源、国防、电子、工业机械等为增材制造量身定制，这个列表没有尽头，所以这里只是几个：

• 机器人和机械臂
• 末端执行器、夹具和软钳口
• 检查夹具、焊接夹具和坐标测量机夹具
• 成型工具
• 自行车及其组件
• 高端赛车应用

看看 Haddington Dynamics 的用例，一个 3D 打印的机械臂用连续的碳纤维长丝加固，刚性和重量足够使机械臂具有 50 微米的精度。使用碳纤维 3D 打印机，该公司能够将零件数量从 800 个减少到不到 70 个。

请联系我们获取进一步帮助或建议，了解哪种增强纤维最适合您的应用。立即索取 Kevlar 或碳纤维样品。

参考列表：

1. Ferer, M. Kenneth 和 Swenson, C. Richard，“海洋工程和建造用 Kevlar 绳索的选择和规格设计指南”，第 v, 9, 39 页， https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a163255.pdf ，1976 年 7 月，海军研究实验室，海军设施，工程司令部，华盛顿特区。
2. Smith, F. William，1996，“材料科学与工程原理，第三版”，McGraw-Hill, Inc.，第 774 页，ISBN-0-07-059241-1。
3. 杜邦™。杜邦™ Kevlar 应用 - “Kevlar® 之旅，从上到下”。 YouTube，2014 年 8 月。 https://youtu.be/hIqKoZLL4QU?t=90 .
4. 杜邦™。 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. 科学频道。 “在测试 Kevlar 纤维时以慢动作观看。” YouTube，2017 年 6 月， https://youtu.be/ybgMEjl9j-g .
6. Yeung, K. K. 和 Rao, K. P.，“Kevlar 纤维增强热塑性复合材料的机械性能”，第 411 页， https://pdfs.semanticscholar.org/fa3f/845bb8b7230c6d82b29392c8c5baf7da10d5.pdf , 2010年1月29日，香港城市大学机械与生物医学工程系，中国香港特别行政区
7. 维基百科贡献者。 “凯夫拉。”维基百科，自由百科全书。维基百科，免费百科全书，2019 年 8 月 11 日。网络。 2019 年 9 月 16 日， https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar#History .
8. 维基百科贡献者。 “芳纶。”维基百科，自由百科全书。维基百科，免费百科全书，2019 年 9 月 8 日。网络。 2019 年 9 月 16 日， https://en.wikipedia.org/wiki/Aramid .
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10. Williams Bryan、Attwood Louise、Treuherz Pauline，2017 年，“设计与技术：所有材料类别和系统，防火材料”，2017 年。 ‍