Kohlefaser vs. Aluminium

Carbonfasern ersetzen Aluminium in immer mehr Anwendungen und das schon seit einigen Jahrzehnten. Diese Fasern sind bekannt für ihre außergewöhnliche Festigkeit und Steifigkeit und sind zudem extrem leicht. Kohlefaserstränge werden mit verschiedenen Harzen zu Verbundwerkstoffen kombiniert. Diese Verbundwerkstoffe nutzen die Eigenschaften von Faser und Harz. Dieser Artikel bietet einen Vergleich der Eigenschaften von Kohlefaser im Vergleich zu Aluminium, zusammen mit einigen Vor- und Nachteilen jedes Materials.

Kohlefaser vs. Aluminium gemessen

Nachfolgend finden Sie die Definitionen der verschiedenen Eigenschaften, die zum Vergleich der beiden Materialien verwendet werden:

Elastizitätsmodul = Die „Steifigkeit“ eines Materials. Das Verhältnis von Spannung zu Dehnung für ein Material. Die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve für ein Material in seinem elastischen Bereich.

Zugfestigkeit = die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es bricht.

Dichte = Masse des Materials pro Volumeneinheit.

Spezifische Steifigkeit = Elastizitätsmodul geteilt durch die Dichte des Materials. Wird zum Vergleichen von Materialien mit unterschiedlichen Dichten verwendet.

Spezifische Zugfestigkeit = Zugfestigkeit geteilt durch die Dichte des Materials.

Vor diesem Hintergrund vergleicht die folgende Tabelle Kohlefaser und Aluminium.

Hinweis: Viele Faktoren können diese Zahlen beeinflussen. Dies sind Verallgemeinerungen; keine absoluten Maße. Zum Beispiel sind verschiedene Kohlefasermaterialien mit höherer Steifigkeit oder Festigkeit erhältlich, oft mit einem Kompromiss bei der Reduzierung anderer Eigenschaften.

Messung Kohlefaser Aluminium Kohlenstoff/Aluminium
Vergleich
Elastizitätsmodul (E) GPa 70 68,9 100%
Zugfestigkeit (σ) MPa 1035 450 230%
Dichte (ρ) g/cm3 1,6 2.7 59%
Spezifische Steifigkeit (E/ρ) 43.8 25,6 171%
Spezifische Zugfestigkeit (σ /ρ) 647 166 389%

Diese Grafik zeigt, dass Kohlefaser eine spezifische Zugfestigkeit von ungefähr 3,8 mal Aluminium und eine spezifische Steifigkeit von 1,71 mal Aluminium hat.

Vergleich der thermischen Eigenschaften von Kohlefaser und Aluminium

Zwei weitere Eigenschaften, die die Unterschiede zwischen Kohlefaser und Aluminium zeigen, sind die Wärmeausdehnung und die Wärmeleitfähigkeit.

Die Wärmeausdehnung beschreibt, wie sich die Abmessungen eines Materials bei Temperaturänderungen ändern.

Messung Kohlefaser Aluminium Aluminium/Kohlenstoff
Vergleich
Wärmeausdehnung 2 Zoll/Zoll/°F 13 Zoll/Zoll/°F 6,5

Aluminium hat etwa die sechsfache Wärmeausdehnung von Kohlefaser.

Vor-und Nachteile

Bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien und Systeme müssen Ingenieure bestimmen, welche Materialeigenschaften für bestimmte Anwendungen am wichtigsten sind. Wenn ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis oder hohe Steifigkeits-Gewichts-Verhältnisse von Bedeutung sind, ist Kohlefaser die offensichtliche Wahl. Wenn zusätzliches Gewicht die Lebensdauer verkürzen oder zu einer schlechten Leistung führen könnte, sollten Designer Kohlefaser als den besseren Baustoff in Betracht ziehen. Wenn es auf Zähigkeit ankommt, lässt sich Kohlefaser leicht mit anderen Materialien kombinieren, um die erforderlichen Eigenschaften zu erhalten.

Die geringen Wärmeausdehnungseigenschaften von Carbonfasern sind ein wesentlicher Vorteil bei der Herstellung von Produkten, die ein hohes Maß an Präzision und Dimensionsstabilität unter Bedingungen mit schwankenden Temperaturen erfordern: optische Geräte, 3D-Scanner, Teleskope usw.

Die Verwendung von Kohlefaser hat auch einige Nachteile. Kohlefaser gibt nicht nach. Unter Belastung verbiegt sich Kohlefaser, passt sich aber nicht dauerhaft der neuen Form (elastisch) an. Sobald die Zugfestigkeit des Kohlefasermaterials überschritten wird, versagt die Kohlefaser plötzlich. Ingenieure müssen dieses Verhalten verstehen und Sicherheitsfaktoren berücksichtigen, um es bei der Entwicklung von Produkten zu berücksichtigen. Kohlefaserteile sind aufgrund der hohen Herstellungskosten von Kohlefaser und der großen Erfahrung und Kompetenz bei der Herstellung hochwertiger Verbundteile auch deutlich teurer als Aluminium.


Postzeit: 24. Juni 2021 Jun