炭素繊維vsアルミニウム

炭素繊維は、ますます多様な用途でアルミニウムに取って代わりつつあり、過去数十年にわたってそうしています。これらの繊維は、その並外れた強度と剛性で知られており、非常に軽量でもあります。炭素繊維ストランドをさまざまな樹脂と組み合わせて、複合材料を作成します。これらの複合材料は、繊維と樹脂の両方の特性を利用しています。この記事では、炭素繊維とアルミニウムの特性の比較と、各材料の長所と短所について説明します。

炭素繊維とアルミニウムの測定値

以下は、2つの材料を比較するために使用されるさまざまなプロパティの定義です。

弾性係数=材料の「剛性」。材料の応力とひずみの比率。弾性領域の材料の応力-ひずみ曲線の勾配。

極限引張強さ=材料が破壊する前に耐えることができる最大応力。

密度=単位体積あたりの材料の質量。

比剛性=弾性係数を材料の密度で割ったもの。密度の異なる材料を比較するために使用されます。

比引張強度=引張強度を材料の密度で割ったもの。

この情報を念頭に置いて、次のグラフは炭素繊維とアルミニウムを比較しています。

注:多くの要因がこれらの数値に影響を与える可能性があります。これらは一般化です。絶対的な測定ではありません。たとえば、剛性または強度が高いさまざまな炭素繊維材料が利用可能ですが、多くの場合、他の特性の低下とのトレードオフがあります。

計測 カーボンファイバー アルミニウム カーボン/アルミニウム
比較
弾性係数(E)GPa 70 68.9 100%
引張強さ(σ)MPa 1035 450 230%
密度(ρ)g / cm3 1.6 2.7 59%
比剛性(E /ρ) 43.8 25.6 171%
比引張強度(σ/ρ) 647 166 389%

このチャートは、炭素繊維の比引張強度がアルミニウムの約3.8倍、比剛性がアルミニウムの1.71倍であることを示しています。

炭素繊維とアルミニウムの熱特性の比較

炭素繊維とアルミニウムの違いを示すもう2つの特性は、熱膨張と熱伝導率です。

熱膨張は、温度が変化したときに材料の寸法がどのように変化するかを表します。

計測 カーボンファイバー アルミニウム アルミニウム/カーボン
比較
熱膨張 2インチ/インチ/°F 13インチ/インチ/°F 6.5

アルミニウムは炭素繊維の約6倍の熱膨張を持っています。

長所と短所

高度な材料とシステムを設計する場合、エンジニアは特定のアプリケーションにとってどの材料特性が最も重要であるかを判断する必要があります。高い強度対重量または高い剛性対重量が重要な場合は、炭素繊維が当然の選択です。構造設計の観点から、重量が増えるとライフサイクルが短くなったり、パフォーマンスが低下したりする可能性がある場合、設計者はより優れた建築材料として炭素繊維を検討する必要があります。靭性が必要な場合、炭素繊維は他の材料と簡単に組み合わせて必要な特性を得ることができます。

炭素繊維の低熱膨張特性は、高度な精度と、温度が変動する条件(光学デバイス、3Dスキャナー、望遠鏡など)での寸法安定性を必要とする製品を作成する場合に大きな利点です。

炭素繊維を使用することにはいくつかの欠点もあります。炭素繊維は降伏しません。負荷がかかると、炭素繊維は曲がりますが、新しい形状(弾性)に恒久的に一致しません。炭素繊維材料の極限引張強度を超えると、炭素繊維は突然破損します。エンジニアはこの動作を理解し、製品を設計するときにそれを説明するための安全率を含める必要があります。炭素繊維部品は、炭素繊維の製造コストが高く、高品質の複合部品を作成するための優れたスキルと経験があるため、アルミニウムよりも大幅に高価です。


投稿時間:2021年6月24日