Hiilikuitu vs alumiini

Hiilikuitu korvaa alumiinia yhä useammissa sovelluksissa ja on tehnyt niin viime vuosikymmeninä. Nämä kuidut tunnetaan poikkeuksellisesta lujuudestaan ​​ja jäykkyydestään ja ovat myös erittäin kevyitä. Hiilikuitulangat yhdistetään erilaisten hartsien kanssa komposiittimateriaalien luomiseksi. Nämä komposiittimateriaalit hyödyntävät sekä kuidun että hartsin ominaisuuksia. Tässä artikkelissa verrataan hiilikuidun ja alumiinin ominaisuuksia sekä jokaisen materiaalin hyviä ja huonoja puolia.

Hiilikuitu vs alumiini mitattu

Alla on määritelty eri ominaisuudet, joita käytetään kahden materiaalin vertaamiseen:

Kimmomoduuli = Materiaalin "jäykkyys". Materiaalin rasituksen ja venymisen suhde. Materiaalin jännitys-venymä-käyrän kaltevuus sen elastisella alueella.

Lopullinen vetolujuus = suurin jännitys, jonka materiaali kestää ennen murtumista.

Tiheys = materiaalin massa tilavuusyksikköä kohti.

Ominaisjäykkyys = Kimmomoduuli jaettuna materiaalin tiheydellä. Käytetään materiaalien vertaamiseen erilaisilla tiheyksillä.

Ominaisvetolujuus = Vetolujuus jaettuna materiaalin tiheydellä.

Nämä tiedot huomioon ottaen seuraava kaavio vertaa hiilikuitua ja alumiinia.

Huomaa: Monet tekijät voivat vaikuttaa näihin numeroihin. Nämä ovat yleistyksiä; ei absoluuttisia mittauksia. Esimerkiksi erilaisia ​​hiilikuitumateriaaleja on saatavana suuremmalla jäykkyydellä tai lujuudella, usein kompromissilla muiden ominaisuuksien pienentämisessä.

Mittaus Hiilikuitu Alumiini Hiili / alumiini
Vertailu
Joustavuusmoduuli (E) GPa 70 68.9 100%
Vetolujuus (σ) MPa 1035 450 230%
Tiheys (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Ominaisjäykkyys (E / ρ) 43.8 25.6 171%
Ominaisvetolujuus (σ / ρ) 647 166 389%

Tämä kaavio osoittaa, että hiilikuidun vetolujuus on noin 3,8 kertaa suurempi kuin alumiinilla ja ominaisjäykkyys 1,71 kertaa alumiinilla.

Hiilikuidun ja alumiinin lämpöominaisuuksien vertailu

Kaksi muuta ominaisuutta, jotka osoittavat eroja hiilikuidun ja alumiinin välillä, ovat lämpölaajeneminen ja lämmönjohtavuus.

Lämpölaajeneminen kuvaa kuinka materiaalin mitat muuttuvat lämpötilan muuttuessa.

Mittaus Hiilikuitu Alumiini Alumiini / hiili
Vertailu
Lämpölaajeneminen 2 tuumaa / ° F 13 tuumaa / ° F 6.5

Alumiinilla on noin kuusi kertaa hiilikuidun lämpölaajeneminen.

Hyvät ja huonot puolet

Suunnitellessaan edistyneitä materiaaleja ja järjestelmiä insinöörien on määritettävä, mitkä materiaaliominaisuudet ovat tärkeimmät tietyissä sovelluksissa. Kun korkealla lujuudella painoon tai suurella jäykkyydellä painolla on merkitystä, hiilikuitu on ilmeinen valinta. Rakennesuunnittelun osalta, kun lisätty paino voi lyhentää elinkaarta tai johtaa huonoon suorituskykyyn, suunnittelijoiden tulisi pitää hiilikuitua parempana rakennusmateriaalina. Kun sitkeys on välttämätöntä, hiilikuitu yhdistetään helposti muiden materiaalien kanssa tarvittavien ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Hiilikuitujen alhaiset lämpölaajenemisominaisuudet ovat merkittävä etu, kun luodaan tuotteita, jotka edellyttävät suurta tarkkuutta ja mittavakautta olosuhteissa, joissa lämpötilat vaihtelevat: optiset laitteet, 3D-skannerit, teleskoopit jne.

Hiilikuidun käytöllä on myös muutamia haittoja. Hiilikuitu ei tuota. Hiilikuitu taipuu kuormituksen alaisena, mutta ei pysyvästi uuden muodon (elastisen) mukaista. Kun hiilikuitumateriaalin lopullinen vetolujuus on ylitetty, hiilikuitu epäonnistuu yhtäkkiä. Insinöörien on ymmärrettävä tämä käyttäytyminen ja sisällytettävä turvallisuustekijät ottamaan huomioon se suunnittelussa. Hiilikuituosat ovat myös huomattavasti kalliimpia kuin alumiini, koska hiilikuidun valmistuskustannukset ovat korkeat sekä korkealaatuisten komposiittiosien luomiseen liittyvä suuri taito ja kokemus.


Lähetysaika: 24.-20.2021