Uhlíkové vlákno vs hliník

Uhlíkové vlákno nahrazuje hliník v rostoucí paletě aplikací a dělá to posledních několik desetiletí. Tato vlákna jsou známá svou výjimečnou pevností a tuhostí a jsou také extrémně lehká. Pásy z uhlíkových vláken jsou kombinovány s různými pryskyřicemi za vzniku kompozitních materiálů. Tyto kompozitní materiály využívají výhod vlastností vláken i pryskyřice. Tento článek poskytuje srovnání vlastností uhlíkových vláken oproti hliníku spolu s některými klady a zápory každého materiálu.

Uhlíkové vlákno vs hliník měřeno

Níže jsou uvedeny definice různých vlastností použitých k porovnání těchto dvou materiálů:

Modul pružnosti = „tuhost“ materiálu. Poměr napětí k přetvoření pro materiál. Sklon křivky napětí vs. deformace pro materiál v jeho elastické oblasti.

Konečná pevnost v tahu = maximální napětí, které materiál vydrží před přetržením.

Hustota = hmotnost materiálu na jednotku objemu.

Specifická tuhost = modul pružnosti dělený hustotou materiálu. Používá se pro porovnání materiálů s odlišnými hustotami.

Specifická pevnost v tahu = pevnost v tahu dělená hustotou materiálu.

S ohledem na tyto informace porovnává následující tabulka uhlíková vlákna a hliník.

Poznámka: Na tato čísla může mít vliv mnoho faktorů. To jsou zevšeobecňování; ne absolutní měření. Například jsou k dispozici různé materiály z uhlíkových vláken s vyšší tuhostí nebo pevností, často s kompromisem při snižování dalších vlastností.

Měření Uhlíkové vlákno Hliník Uhlík / hliník
Srovnání
Modul pružnosti (E) GPa 70 68,9 100%
Pevnost v tahu (σ) MPa 1035 450 230%
Hustota (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Specifická tuhost (E / ρ) 43.8 25.6 171%
Specifická pevnost v tahu (σ / ρ) 647 166 389%

Tento graf ukazuje, že uhlíkové vlákno má specifickou pevnost v tahu přibližně 3,8krát vyšší než u hliníku a specifickou tuhost 1,71krát vyšší než u hliníku.

Porovnání tepelných vlastností uhlíkových vláken a hliníku

Další dvě vlastnosti, které ukazují rozdíly mezi uhlíkovými vlákny a hliníkem, jsou tepelná roztažnost a tepelná vodivost.

Tepelná roztažnost popisuje, jak se rozměry materiálu mění, když se teploty mění.

Měření Uhlíkové vlákno Hliník Hliník / uhlík
Srovnání
Teplotní roztažnost 2 palce / palce / ° F 13 in / in / ° F 6.5

Hliník má přibližně šestinásobek tepelné roztažnosti uhlíkových vláken.

Výhody a nevýhody

Při navrhování pokročilých materiálů a systémů musí inženýři určit, které vlastnosti materiálu jsou pro konkrétní aplikace nejdůležitější. Když záleží na vysoké pevnosti nebo vysoké tuhosti na hmotnost, je uhlíková vlákna jasnou volbou. Pokud jde o konstrukční návrh, pokud by přidaná váha mohla zkrátit životní cykly nebo vést ke špatnému výkonu, měli by návrháři hledat uhlíková vlákna jako lepší stavební materiál. Když je zásadní houževnatost, lze uhlíkové vlákno snadno kombinovat s jinými materiály, aby se získaly potřebné vlastnosti.

Nízká tepelná roztažnost uhlíkových vláken je významnou výhodou při vytváření produktů, které vyžadují vysoký stupeň přesnosti a rozměrovou stabilitu v podmínkách, kde teploty kolísají: optická zařízení, 3D skenery, dalekohledy atd.

Uhlíkové vlákno má také několik nevýhod. Uhlíkové vlákno se nepoddává. Při zatížení se uhlíková vlákna ohnou, ale nebudou trvale odpovídat novému tvaru (elastickému). Jakmile je překročena mezní pevnost materiálu z uhlíkových vláken, uhlíkové vlákno náhle selže. Inženýři musí tomuto chování porozumět a zahrnout bezpečnostní faktory, které ho zohlední při navrhování produktů. Díly z uhlíkových vláken jsou také výrazně dražší než hliník kvůli vysokým nákladům na výrobu uhlíkových vláken a velkým dovednostem a zkušenostem při výrobě vysoce kvalitních kompozitních dílů.


Čas zveřejnění: červen-24-2021