Kulfiber vs aluminium

Kulfiber erstatter aluminium i et stigende antal applikationer og har gjort det i de sidste par årtier. Disse fibre er kendt for deres usædvanlige styrke og stivhed og er også ekstremt lette. Tråde af kulfiber kombineres med forskellige harpikser for at skabe kompositmaterialer. Disse sammensatte materialer udnytter egenskaberne af både fiber og harpiks. Denne artikel giver en sammenligning af egenskaberne ved kulfiber versus aluminium sammen med nogle fordele og ulemper ved hvert materiale.

Kulfiber vs aluminium målt

Nedenfor er definitionerne af de forskellige egenskaber, der bruges til at sammenligne de to materialer:

Elasticitetsmodul = materialets “stivhed”. Forholdet mellem stress og belastning for et materiale. Hældningen af ​​stress vs belastningskurve for et materiale i dets elastiske område.

Ultimativ trækstyrke = den maksimale belastning et materiale kan modstå, før det brydes.

Densitet = materialets masse pr. Volumen enhed.

Specifik stivhed = Elasticitetsmodul divideret med materialets tæthed. Bruges til at sammenligne materialer med forskellige densiteter.

Specifik trækstyrke = Trækstyrke divideret med materialets densitet.

Med denne information i tankerne sammenligner nedenstående skema kulfiber og aluminium.

Bemærk: Mange faktorer kan påvirke disse tal. Dette er generaliseringer; ikke absolutte målinger. For eksempel er forskellige kulfibermaterialer tilgængelige med højere stivhed eller styrke, ofte med en kompromis med reduktion af andre egenskaber.

Måling Kulfiber Aluminium Kulstof / aluminium
Sammenligning
Elasticitetsmodul (E) GPa 70 68,9 100%
Trækstyrke (σ) MPa 1035 450 230%
Densitet (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Specifik stivhed (E / ρ) 43,8 25.6 171%
Specifik trækstyrke (σ / ρ) 647 166 389%

Dette diagram viser, at kulfiber har en specifik trækstyrke på ca. 3,8 gange aluminiumsstørrelsen og en specifik stivhed på 1,71 gange aluminiumsstørrelsen.

Sammenligning af termiske egenskaber af kulfiber og aluminium

To yderligere egenskaber, der viser forskellene mellem kulfiber og aluminium, er termisk ekspansion og varmeledningsevne.

Termisk ekspansion beskriver, hvordan et materiales dimensioner ændres, når temperaturen ændres.

Måling Kulfiber Aluminium Aluminium / kulstof
Sammenligning
Varmeudvidelse 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6.5

Aluminium har cirka seks gange den termiske ekspansion af kulfiber.

Fordele og ulemper

Ved design af avancerede materialer og systemer skal ingeniører bestemme, hvilke materialegenskaber der er vigtigst for specifikke applikationer. Når høj styrke til vægt eller høj stivhed til vægt betyder noget, er kulfiber det oplagte valg. Med hensyn til strukturelt design, når ekstra vægt kan forkorte livscyklusser eller føre til dårlig ydeevne, skal designere se på kulfiber som det bedre byggemateriale. Når sejhed er essentiel, kombineres kulfiber let med andre materialer for at opnå de nødvendige egenskaber.

Kulfiberens lave varmeudvidelsesegenskaber er en væsentlig fordel ved oprettelse af produkter, der kræver en høj grad af præcision og dimensionel stabilitet under forhold, hvor temperaturen svinger: optiske enheder, 3D-scannere, teleskoper osv.

Der er også et par ulemper ved at bruge kulfiber. Kulfiber giver ikke efter. Under belastning vil kulfiber bøjes, men vil ikke tilpasse sig permanent den nye form (elastisk). Når den ultimative trækstyrke for kulfibermaterialet er overskredet, mislykkes kulfiber pludselig. Ingeniører skal forstå denne adfærd og inkludere sikkerhedsfaktorer for at tage højde for den, når de designer produkter. Kulfiberdele er også betydeligt dyrere end aluminium på grund af de høje omkostninger at producere kulfiber og den store dygtighed og erfaring, der er forbundet med at skabe kompositdele af høj kvalitet.


Indlægstid: Jun-24-2021