Въглеродни влакна срещу алуминий

Въглеродните влакна заменят алуминия във все по-голямо разнообразие от приложения и го правят през последните няколко десетилетия. Тези влакна са известни със своята изключителна здравина и твърдост и освен това са изключително леки. Нишките от въглеродни влакна се комбинират с различни смоли за създаване на композитни материали. Тези композитни материали се възползват от свойствата както на влакната, така и на смолата. Тази статия предоставя сравнение на свойствата на въглеродните влакна спрямо алуминия, заедно с някои плюсове и минуси на всеки материал.

Измерено въглеродни влакна срещу алуминий

По-долу са дефинициите на различните свойства, използвани за сравняване на двата материала:

Модул на еластичност = „твърдостта“ на материала. Съотношението на напрежението към деформацията за даден материал. Наклонът на кривата напрежение спрямо деформация за материал в еластичната му област.

Максимална якост на опън = максималното напрежение, което един материал може да издържи преди счупване.

Плътност = масата на материала на единица обем.

Специфична твърдост = Модул на еластичност, разделен на плътността на материала. Използва се за сравняване на материали с различна плътност.

Специфична якост на опън = якост на опън, разделена на плътността на материала.

Имайки предвид тази информация, следващата диаграма сравнява въглеродните влакна и алуминия.

Забележка: Много фактори могат да повлияят на тези числа. Това са обобщения; не абсолютни измервания. Например предлагат се различни материали от въглеродни влакна с по-висока твърдост или якост, често с компромис при намаляване на други свойства.

Измерване Въглеродни влакна Алуминий Въглерод / алуминий
Сравнение
Модул на еластичност (E) GPa 70 68.9 100%
Якост на опън (σ) MPa 1035 450 230%
Плътност (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Специфична твърдост (E / ρ) 43.8 25.6 171%
Специфична якост на опън (σ / ρ) 647 166 389%

Тази диаграма показва, че въглеродните влакна имат специфична якост на опън приблизително 3,8 пъти тази на алуминия и специфична твърдост 1,71 пъти тази на алуминия.

Сравняване на топлинните свойства на въглеродните влакна и алуминия

Още две свойства, които показват разликите между въглеродните влакна и алуминия, са термичното разширение и топлопроводимостта.

Термичното разширение описва как размерите на материала се променят, когато температурите се променят.

Измерване Въглеродни влакна Алуминий Алуминий / Въглерод
Сравнение
Термично разширение 2 инча / инча / ° F 13 инча / инча / ° F 6.5

Алуминият има приблизително шест пъти термалното разширение на въглеродните влакна.

Предимства и недостатъци

Когато проектират усъвършенствани материали и системи, инженерите трябва да определят кои свойства на материала са най-важни за конкретни приложения. Когато въпросите с висока якост към тегло или висока твърдост към теглото имат значение, въглеродните влакна са очевидният избор. По отношение на конструктивния дизайн, когато добавеното тегло може да съкрати жизнения цикъл или да доведе до лошо представяне, дизайнерите трябва да гледат на въглеродните влакна като на по-добрия строителен материал. Когато жилавостта е от съществено значение, въглеродните влакна лесно се комбинират с други материали, за да се получат необходимите характеристики.

Свойствата на ниско топлинно разширение на въглеродните влакна са значително предимство при създаването на продукти, които изискват висока степен на точност и стабилност на размерите в условия, при които температурите се колебаят: оптични устройства, 3D скенери, телескопи и др.

Има и няколко недостатъка при използването на въглеродни влакна. Въглеродните влакна не поддават. При натоварване въглеродните влакна ще се огъват, но няма да се съобразят трайно с новата форма (еластична). След като максималната якост на опън на материала от въглеродни влакна е надвишена, въглеродните влакна изведнъж отказват. Инженерите трябва да разберат това поведение и да включат фактори за безопасност, за да го отчетат при проектирането на продукти. Частите от въглеродни влакна също са значително по-скъпи от алуминия поради високата цена за производство на въглеродни влакна и голямото умение и опит, свързани с създаването на висококачествени композитни части.


Време за публикуване: юни-24-2021