Koolstofvezel versus aluminium

Koolstofvezel vervangt aluminium in steeds meer toepassingen en doet dit de laatste decennia. Deze vezels staan ​​bekend om hun uitzonderlijke sterkte en stijfheid en zijn ook nog eens extreem licht van gewicht. Koolstofvezelstrengen worden gecombineerd met verschillende harsen om composietmaterialen te creëren. Deze composietmaterialen profiteren van de eigenschappen van zowel vezels als hars. Dit artikel geeft een vergelijking van de eigenschappen van koolstofvezel versus aluminium, samen met enkele voor- en nadelen van elk materiaal.

Koolstofvezel versus aluminium gemeten

Hieronder staan ​​de definities van de verschillende eigenschappen die worden gebruikt om de twee materialen te vergelijken:

Elasticiteitsmodulus = De "stijfheid" van een materiaal. De verhouding van spanning tot rek voor een materiaal. De helling van de spanning versus rekcurve voor een materiaal in zijn elastische gebied.

Ultieme treksterkte = de maximale spanning die een materiaal kan weerstaan ​​voordat het breekt.

Dichtheid = de massa van het materiaal per volume-eenheid.

Specifieke stijfheid = elasticiteitsmodulus gedeeld door de dichtheid van het materiaal. Gebruikt voor het vergelijken van materialen met ongelijke dichtheden.

Specifieke treksterkte = Treksterkte gedeeld door de dichtheid van het materiaal.

Met deze informatie in gedachten vergelijkt de volgende grafiek koolstofvezel en aluminium.

Opmerking: veel factoren kunnen deze cijfers beïnvloeden. Dit zijn generalisaties; geen absolute metingen. Er zijn bijvoorbeeld verschillende koolstofvezelmaterialen beschikbaar met een hogere stijfheid of sterkte, vaak met een compromis in vermindering van andere eigenschappen.

Meting Koolstofvezel Aluminium Koolstof/Aluminium
Vergelijking
Elasticiteitsmodulus (E) GPa 70 68.9 100%
Treksterkte (σ) MPa 1035 450 230%
Dichtheid (ρ) g/cm3 1.6 2.7 59%
Specifieke stijfheid (E/ρ) 43.8 25.6 171%
Specifieke treksterkte (σ /ρ) 647 166 389%

Deze grafiek laat zien dat koolstofvezel een specifieke treksterkte heeft van ongeveer 3,8 keer die van aluminium en een specifieke stijfheid van 1,71 keer die van aluminium.

Vergelijking van thermische eigenschappen van koolstofvezel en aluminium

Twee andere eigenschappen die de verschillen tussen koolstofvezel en aluminium laten zien, zijn thermische uitzetting en thermische geleidbaarheid.

Thermische uitzetting beschrijft hoe de afmetingen van een materiaal veranderen wanneer de temperatuur verandert.

Meting Koolstofvezel Aluminium Aluminium/Koolstof
Vergelijking
Thermische uitzetting 2 inch/in/°F 13 inch/inch/°F 6.5

Aluminium heeft ongeveer zes keer de thermische uitzetting van koolstofvezel.

Voors en tegens

Bij het ontwerpen van geavanceerde materialen en systemen moeten ingenieurs bepalen welke materiaaleigenschappen het belangrijkst zijn voor specifieke toepassingen. Wanneer hoge sterkte-tot-gewicht of hoge stijfheid-tot-gewicht van belang is, is koolstofvezel de voor de hand liggende keuze. In termen van structureel ontwerp, wanneer extra gewicht de levenscyclus zou kunnen verkorten of tot slechte prestaties zou kunnen leiden, moeten ontwerpers koolstofvezel als het betere bouwmateriaal beschouwen. Wanneer taaiheid essentieel is, kan koolstofvezel gemakkelijk worden gecombineerd met andere materialen om de nodige eigenschappen te verkrijgen.

De lage thermische uitzettingseigenschappen van koolstofvezel zijn een belangrijk voordeel bij het maken van producten die een hoge mate van precisie en maatvastheid vereisen in omstandigheden waar temperaturen fluctueren: optische apparaten, 3D-scanners, telescopen, enz.

Er zijn ook een paar nadelen aan het gebruik van koolstofvezel. Koolstofvezel geeft niet mee. Onder belasting zal koolstofvezel buigen, maar zal het zich niet permanent aanpassen aan de nieuwe vorm (elastisch). Zodra de uiteindelijke treksterkte van het koolstofvezelmateriaal wordt overschreden, faalt koolstofvezel plotseling. Ingenieurs moeten dit gedrag begrijpen en veiligheidsfactoren opnemen om hiermee rekening te houden bij het ontwerpen van producten. Onderdelen van koolstofvezel zijn ook aanzienlijk duurder dan aluminium vanwege de hoge kosten om koolstofvezel te produceren en de grote vaardigheid en ervaring die nodig is om hoogwaardige composietonderdelen te maken.


Posttijd: 24 juni-2021