Carbon Fiber εναντίον αλουμινίου

Οι ίνες άνθρακα αντικαθιστούν το αλουμίνιο σε μια αυξανόμενη ποικιλία εφαρμογών και το έχουν κάνει τις τελευταίες δεκαετίες. Αυτές οι ίνες είναι γνωστές για την εξαιρετική αντοχή και ακαμψία τους και είναι επίσης εξαιρετικά ελαφριές. Οι ίνες άνθρακα συνδυάζονται με διάφορες ρητίνες για τη δημιουργία σύνθετων υλικών. Αυτά τα σύνθετα υλικά εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες τόσο των ινών όσο και της ρητίνης. Αυτό το άρθρο παρέχει μια σύγκριση των ιδιοτήτων των ινών άνθρακα έναντι του αλουμινίου, μαζί με ορισμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε υλικού.

Μέτρηση ινών άνθρακα έναντι αλουμινίου

Ακολουθούν οι ορισμοί των διαφορετικών ιδιοτήτων που χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση των δύο υλικών:

Συντελεστής ελαστικότητας = Η «ακαμψία» ενός υλικού. Η αναλογία πίεσης προς πίεση για ένα υλικό. Η κλίση της καμπύλης τάσης έναντι τάσης για ένα υλικό στην ελαστική περιοχή του.

Τελική αντοχή εφελκυσμού = η μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν σπάσει.

Πυκνότητα = η μάζα του υλικού ανά μονάδα όγκου.

Ειδική ακαμψία = Μέτρο ελαστικότητας διαιρούμενο με την πυκνότητα του υλικού. Χρησιμοποιείται για τη σύγκριση υλικών με ανόμοιες πυκνότητες.

Ειδική αντοχή εφελκυσμού = Αντοχή εφελκυσμού διαιρούμενη με την πυκνότητα του υλικού.

Έχοντας υπόψη αυτές τις πληροφορίες, το ακόλουθο γράφημα συγκρίνει ανθρακονήματα και αλουμίνιο.

Σημείωση: Πολλοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν αυτούς τους αριθμούς. Αυτές είναι γενικεύσεις. όχι απόλυτες μετρήσεις. Για παράδειγμα, διατίθενται διαφορετικά υλικά από ανθρακονήματα με μεγαλύτερη ακαμψία ή αντοχή, συχνά με αντιστάθμιση στη μείωση άλλων ιδιοτήτων.

Μέτρηση Ινα άνθρακα Αλουμίνιο Άνθρακας / Αλουμίνιο
Σύγκριση
Μέτρο ελαστικότητας (E) GPa 70 68.9 100%
Αντοχή εφελκυσμού (σ) MPa 1035 450 230%
Πυκνότητα (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Ειδική ακαμψία (E / ρ) 43.8 25.6 171%
Ειδική αντοχή εφελκυσμού (σ / ρ) 647 166 389%

Αυτό το διάγραμμα δείχνει ότι οι ίνες άνθρακα έχουν ειδική αντοχή εφελκυσμού περίπου 3,8 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του αλουμινίου και συγκεκριμένη ακαμψία 1,71 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του αλουμινίου.

Σύγκριση θερμικών ιδιοτήτων ινών άνθρακα και αλουμινίου

Δύο ακόμη ιδιότητες που δείχνουν τις διαφορές μεταξύ ανθρακονήματος και αλουμινίου είναι η θερμική διαστολή και η θερμική αγωγιμότητα.

Η θερμική επέκταση περιγράφει πώς αλλάζουν οι διαστάσεις ενός υλικού όταν αλλάζουν οι θερμοκρασίες.

Μέτρηση Ινα άνθρακα Αλουμίνιο Αλουμίνιο / άνθρακας
Σύγκριση
Θερμική διαστολή 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6.5

Το αλουμίνιο έχει περίπου έξι φορές τη θερμική διαστολή των ινών άνθρακα.

Υπέρ και κατά

Κατά το σχεδιασμό προηγμένων υλικών και συστημάτων, οι μηχανικοί πρέπει να καθορίσουν ποιες ιδιότητες υλικού είναι πιο σημαντικές για συγκεκριμένες εφαρμογές. Όταν η υψηλή αντοχή σε βάρος ή υψηλή ακαμψία προς βάρος έχει σημασία, οι ίνες άνθρακα είναι η προφανής επιλογή. Όσον αφορά τη δομική σχεδίαση, όταν το προστιθέμενο βάρος μπορεί να μειώσει τους κύκλους ζωής ή να οδηγήσει σε κακή απόδοση, οι σχεδιαστές θα πρέπει να θεωρούν τις ίνες άνθρακα ως το καλύτερο δομικό υλικό. Όταν η σκληρότητα είναι απαραίτητη, οι ίνες άνθρακα συνδυάζονται εύκολα με άλλα υλικά για να αποκτήσουν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά.

Οι ιδιότητες χαμηλής θερμικής διαστολής από ίνες άνθρακα είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα κατά τη δημιουργία προϊόντων που απαιτούν υψηλό βαθμό ακρίβειας και σταθερότητα διαστάσεων σε συνθήκες όπου οι θερμοκρασίες κυμαίνονται: οπτικές συσκευές, τρισδιάστατοι σαρωτές, τηλεσκόπια κ.λπ.

Υπάρχουν επίσης μερικά μειονεκτήματα στη χρήση ινών άνθρακα. Οι ίνες άνθρακα δεν αποδίδουν. Υπό φορτίο, οι ίνες άνθρακα θα κάμψουν αλλά δεν θα προσαρμόζονται μόνιμα στο νέο σχήμα (ελαστικό). Μόλις ξεπεραστεί η τελική αντοχή εφελκυσμού του υλικού από ανθρακονήματα, η ίνα άνθρακα αποτυγχάνει ξαφνικά. Οι μηχανικοί πρέπει να κατανοήσουν αυτήν τη συμπεριφορά και να συμπεριλάβουν παράγοντες ασφαλείας για να το λάβουν υπόψη κατά το σχεδιασμό προϊόντων. Τα μέρη από ανθρακονήματα είναι επίσης πολύ πιο ακριβά από το αλουμίνιο λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής ινών άνθρακα και της μεγάλης ικανότητας και εμπειρίας που εμπλέκονται στη δημιουργία σύνθετων ανταλλακτικών υψηλής ποιότητας.


Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-24-2021