Quale materiale è migliore, fibra di carbonio, fibra di vetro o aramide?
Differenze significative nelle tre fibre possono essere viste quando si confrontano le densità dei tre materiali. Se si realizzano 3 campioni della stessa identica dimensione e peso, diventa subito evidente che la fibra di Kevlar® è molto più leggera, seguita dalla fibra di carbonio e la fibra di vetro E è la più pesante.
Pertanto, a parità di peso del materiale composito, la fibra di carbonio o il Kevlar® possono ottenere una resistenza maggiore. In altre parole, qualsiasi struttura che richieda una determinata resistenza realizzata con compositi in fibra di carbonio o Kevlar® sarà più piccola o più sottile di una struttura realizzata con fibra di vetro.
Quando i campioni sono stati realizzati e testati, è stato riscontrato che il composito in fibra di vetro era quasi il doppio del peso del Kevlar® o dei laminati in fibra di carbonio. Ciò significa che l'utilizzo di Kevlar® o fibra di carbonio può far risparmiare molto peso.
Il modulo di Young è una misura della rigidità di un materiale elastico ed è un modo per descrivere un materiale. È definito come il rapporto tra sollecitazione uniassiale (in una direzione) e deformazione uniassiale (deformazione nella stessa direzione). Il modulo di Young=sollecitazione/deformazione, il che significa che un materiale con un modulo di Young alto è più duro di un materiale con un modulo di Young inferiore.
Fibra di carbonio, Kevlar® e fibra di vetro variano ampiamente in rigidità. La fibra di carbonio è circa due volte più rigida della fibra aramidica e cinque volte più rigida della fibra di vetro. Lo svantaggio della rigidità superiore della fibra di carbonio è che tende ad essere più fragile. Quando fallisce, tende a non mostrare molto sforzo o deformazione.
3. Infiammabilità e degradazione termica
Sia il Kevlar® che la fibra di carbonio sono resistenti alle alte temperature e nessuno dei due ha un punto di fusione. Entrambi i materiali sono stati utilizzati in indumenti protettivi e tessuti resistenti al fuoco. La fibra di vetro alla fine si scioglierà ma è anche altamente resistente alle alte temperature. Naturalmente, l'uso della fibra di vetro smerigliata negli edifici migliora anche la resistenza al fuoco.
La fibra di carbonio e il Kevlar® vengono utilizzati per realizzare coperte o indumenti protettivi antincendio o per saldatura. I guanti in kevlar sono comunemente usati nell'industria della carne per proteggere le mani quando si usano i coltelli. Poiché le fibre sono usate raramente da sole, è importante anche la resistenza al calore della matrice (solitamente epossidica). Le resine epossidiche si ammorbidiscono rapidamente se esposte al calore.
4. Conducibilità
La fibra di carbonio conduce l'elettricità, ma il Kevlar® e la fibra di vetro no. Kevlar® è utilizzato per i tiranti nelle torri di trasmissione. Sebbene non conduca elettricità, assorbe acqua e l'acqua conduce elettricità. Pertanto, in tali applicazioni, è necessario applicare un rivestimento impermeabile sopra il Kevlar.
Poiché la fibra di carbonio conduce elettricità, la corrosione galvanica diventa un problema quando entra in contatto con altre parti metalliche.
5. Degrado UV
Le fibre aramidiche si degradano alla luce del sole e in ambienti ad alto contenuto di raggi UV. Le fibre di carbonio o di vetro non sono molto sensibili ai raggi UV. Tuttavia, alcuni substrati comunemente usati come la resina epossidica diventano biancastri e perdono resistenza se lasciati alla luce del sole. Le resine poliestere e vinilestere sono più resistenti ai raggi UV ma più deboli della resina epossidica.
6. Antifatica
Se una parte viene ripetutamente piegata e raddrizzata, alla fine cederà a causa della fatica. La fibra di carbonio è piuttosto sensibile alla fatica e tende a cedere in modo catastrofico, mentre il Kevlar® è più resistente alla fatica. La fibra di vetro è una via di mezzo.
7. Resistenza all'usura
Il Kevlar® è molto resistente all'abrasione, il che rende difficile il taglio. Uno degli usi comuni di Kevlar® è come guanti protettivi nelle aree in cui le mani possono essere tagliate dal vetro o dove vengono utilizzate lame affilate. La fibra di carbonio e la fibra di vetro sono meno resistenti.
8. Resistenza chimica
Le fibre aramidiche sono sensibili agli acidi forti, alle basi forti e ad alcuni agenti ossidanti come l'ipoclorito di sodio, che possono causare il degrado delle fibre. I comuni candeggianti al cloro (come Clorox®) e il perossido di idrogeno non possono essere utilizzati con Kevlar®, i candeggianti all'ossigeno (come il perborato di sodio) possono essere utilizzati senza danneggiare le fibre aramidiche.
Le fibre di carbonio sono molto stabili e insensibili alla degradazione chimica. Tuttavia, la matrice epossidica si degrada.
9. Prestazioni di legame alla matrice
Affinché la fibra di carbonio, il Kevlar® e il vetro funzionino in modo ottimale, devono essere tenuti in posizione in una matrice, solitamente una resina epossidica. Pertanto, la capacità delle resine epossidiche di legarsi insieme a varie fibre è fondamentale.
Sia le fibre di carbonio che quelle di vetro si attaccano facilmente alla resina epossidica, ma il legame fibra aramidica-epossidica non è così forte come desiderato e questa adesione ridotta consente la penetrazione dell'acqua. Di conseguenza, le fibre aramidiche tendono ad assorbire acqua, il che, combinato con un'adesione non ideale alla resina epossidica, significa che se la superficie del composito Kevlar® è danneggiata e l'acqua può penetrare, allora Kevlar® può assorbire umidità lungo le fibre, e indebolire il materiale composito.
