Ugljična vlakna vs Aluminij

Ugljična vlakna zamjenjuju aluminij u sve većem broju primjena i to čine posljednjih nekoliko desetljeća. Ta su vlakna poznata po svojoj izuzetnoj čvrstoći i krutosti, a ujedno su i izuzetno lagana. Vlakna od ugljičnih vlakana kombiniraju se s raznim smolama kako bi se stvorili kompozitni materijali. Ovi kompozitni materijali iskorištavaju svojstva vlakana i smole. Ovaj članak daje usporedbu svojstava ugljičnih vlakana i aluminija, zajedno s nekim prednostima i nedostacima svakog materijala.

Izmjereno ugljično vlakno vs aluminij

Ispod su definicije različitih svojstava koja se koriste za usporedbu dvaju materijala:

Modul elastičnosti = "krutost" materijala. Omjer naprezanja i naprezanja za materijal. Nagib krivulje naprezanja i deformacije za materijal u njegovom elastičnom području.

Krajnja vlačna čvrstoća = maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti prije loma.

Gustoća = masa materijala po jedinici volumena.

Specifična krutost = Modul elastičnosti podijeljen s gustoćom materijala. Koristi se za usporedbu materijala različite gustoće.

Specifična vlačna čvrstoća = Vlačna čvrstoća podijeljena s gustoćom materijala.

Imajući ove podatke na umu, sljedeća tablica uspoređuje ugljična vlakna i aluminij.

Napomena: Mnogi čimbenici mogu utjecati na ove brojke. To su generalizacije; ne apsolutna mjerenja. Na primjer, dostupni su različiti materijali od ugljičnih vlakana s većom krutošću ili čvrstoćom, često uz kompromis u smanjenju drugih svojstava.

Mjerenje Ugljična vlakna Aluminij Ugljik / Aluminij
Usporedba
Modul elastičnosti (E) GPa 70 68,9 100%
Vlačna čvrstoća (σ) MPa 1035 450 230%
Gustoća (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Specifična krutost (E / ρ) 43.8 25.6 171%
Specifična vlačna čvrstoća (σ / ρ) 647 166 389%

Ova tablica pokazuje da ugljična vlakna imaju specifičnu vlačnu čvrstoću otprilike 3,8 puta veću od aluminijske i specifičnu krutost 1,71 puta veću od aluminijske.

Usporedba toplinskih svojstava ugljičnih vlakana i aluminija

Još su dva svojstva koja pokazuju razlike između ugljičnih vlakana i aluminija toplinsko širenje i toplinska vodljivost.

Toplinsko širenje opisuje kako se dimenzije materijala mijenjaju kada se temperature mijenjaju.

Mjerenje Ugljična vlakna Aluminij Aluminij / Ugljik
Usporedba
Toplinsko širenje 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6.5

Aluminij ima približno šest puta veću toplotnu ekspanziju od ugljičnih vlakana.

Za i protiv

Prilikom dizajniranja naprednih materijala i sustava, inženjeri moraju odrediti koja su svojstva materijala najvažnija za određene primjene. Kad su važne velike čvrstoće ili tvrdoće prema težini, ugljična vlakna su očiti izbor. Što se tiče strukturnog dizajna, kada bi dodana težina mogla skratiti životni ciklus ili dovesti do loših performansi, dizajneri bi trebali gledati na ugljična vlakna kao na bolji građevinski materijal. Kad je žilavost presudna, ugljična se vlakna lako kombiniraju s drugim materijalima da bi se dobila potrebna svojstva.

Svojstva niskog toplinskog širenja ugljičnih vlakana značajna su prednost pri stvaranju proizvoda koji zahtijevaju visok stupanj preciznosti i dimenzijsku stabilnost u uvjetima gdje temperature variraju: optički uređaji, 3D skeneri, teleskopi itd.

Postoji i nekoliko nedostataka kod upotrebe ugljičnih vlakana. Ugljična vlakna ne daju. Pod opterećenjem, karbonska će se vlakna savijati, ali neće trajno odgovarati novom obliku (elastična). Kad se prijeđe krajnja vlačna čvrstoća materijala od ugljičnih vlakana, ugljična vlakna iznenada propadnu. Inženjeri moraju razumjeti ovo ponašanje i uključiti sigurnosne čimbenike koji će to uzeti u obzir prilikom dizajniranja proizvoda. Dijelovi od ugljičnih vlakana također su znatno skuplji od aluminija zbog visokih troškova proizvodnje ugljičnih vlakana i velike vještine i iskustva u stvaranju visokokvalitetnih kompozitnih dijelova.


Vrijeme objavljivanja: lipanj-24-2021