Karbonska vlakna vs aluminijum

Karbonska vlakna zamjenjuju aluminij u sve većem broju primjena i to čine posljednjih nekoliko decenija. Ova vlakna su poznata po svojoj izuzetnoj čvrstoći i krutosti, a ujedno su i izuzetno lagana. Vlakna od karbonskih vlakana kombiniraju se s raznim smolama kako bi se stvorili kompozitni materijali. Ovi kompozitni materijali iskorištavaju svojstva vlakana i smole. Ovaj članak daje usporedbu svojstava karbonskih vlakana naspram aluminijuma, zajedno s nekim prednostima i nedostacima svakog materijala.

Izmjereno ugljenična vlakna vs aluminij

Ispod su definicije različitih svojstava koja se koriste za poređenje dva materijala:

Modul elastičnosti = "krutost" materijala. Odnos naprezanja i naprezanja za materijal. Nagib krivulje naprezanja i deformacije za materijal u njegovom elastičnom području.

Krajnja vlačna čvrstoća = maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti prije pucanja.

Gustina = masa materijala po jedinici zapremine.

Specifična krutost = Modul elastičnosti podijeljen s gustinom materijala. Koristi se za upoređivanje materijala različite gustoće.

Specifična vlačna čvrstoća = Vlačna čvrstoća podijeljena s gustinom materijala.

Imajući ove informacije na umu, sljedeća tablica uspoređuje ugljična vlakna i aluminij.

Napomena: Mnogi faktori mogu utjecati na ove brojeve. To su uopštavanja; ne apsolutna mjerenja. Na primjer, dostupni su različiti materijali od karbonskih vlakana s većom krutošću ili čvrstoćom, često uz kompromis u smanjenju drugih svojstava.

Mjerenje Karbonska vlakna Aluminijum Ugljenik / Aluminijum
Usporedba
Modul elastičnosti (E) GPa 70 68.9 100%
Vlačna čvrstoća (σ) MPa 1035 450 230%
Gustina (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Specifična krutost (E / ρ) 43.8 25.6 171%
Specifična vlačna čvrstoća (σ / ρ) 647 166 389%

Ovaj grafikon pokazuje da ugljična vlakna imaju specifičnu vlačnu čvrstoću otprilike 3,8 puta veću od aluminijuma i specifičnu krutost 1,71 puta veću od aluminijumske.

Poređenje toplotnih svojstava ugljeničnih vlakana i aluminijuma

Još dva svojstva koja pokazuju razlike između ugljeničnih vlakana i aluminijuma su toplotna ekspanzija i toplotna provodljivost.

Termičko širenje opisuje kako se dimenzije materijala mijenjaju kada se temperature mijenjaju.

Mjerenje Karbonska vlakna Aluminijum Aluminij / Ugljenik
Usporedba
Termičko širenje 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6.5

Aluminijum ima približno šest puta veću toplotnu ekspanziju od ugljeničnih vlakana.

Za i protiv

Prilikom dizajniranja naprednih materijala i sistema, inženjeri moraju odrediti koja su svojstva materijala najvažnija za određene primjene. Kada su važne velike čvrstoće ili tvrdoće prema težini, karbonska vlakna su očigledan izbor. Što se tiče strukturnog dizajna, kada bi dodana težina mogla skratiti životni ciklus ili dovesti do loših performansi, dizajneri bi trebali gledati na karbonska vlakna kao na bolji građevinski materijal. Kada je žilavost neophodna, ugljična vlakna se lako kombiniraju s drugim materijalima da bi se dobila potrebna svojstva.

Svojstva niskog toplotnog širenja karbonskih vlakana značajna su prednost pri stvaranju proizvoda koji zahtijevaju visok stepen preciznosti i dimenzionalnu stabilnost u uvjetima gdje temperature variraju: optički uređaji, 3D skeneri, teleskopi itd.

Postoji i nekoliko nedostataka kod upotrebe karbonskih vlakana. Ugljenična vlakna ne daju. Pod opterećenjem, karbonska vlakna će se savijati, ali neće trajno odgovarati novom obliku (elastična). Jednom kada se prekorači konačna vlačna čvrstoća materijala od karbonskih vlakana, ugljična vlakna iznenada propadaju. Inženjeri moraju razumjeti ovo ponašanje i uključiti sigurnosne faktore koji će to uzeti u obzir prilikom dizajniranja proizvoda. Dijelovi od karbonskih vlakana također su znatno skuplji od aluminijuma zbog visokih troškova proizvodnje karbonskih vlakana i velike vještine i iskustva u stvaranju visokokvalitetnih kompozitnih dijelova.


Vrijeme objavljivanja: Jun-24-2021