Karbonfiber vs aluminium

Karbonfiber erstatter aluminium i et økende utvalg av bruksområder og har gjort det de siste tiårene. Disse fibrene er kjent for sin eksepsjonelle styrke og stivhet, og er også ekstremt lette. Karbonfibertråder kombineres med forskjellige harpikser for å lage komposittmaterialer. Disse komposittmaterialene utnytter egenskapene til både fiber og harpiks. Denne artikkelen gir en sammenligning av egenskapene til karbonfiber versus aluminium, sammen med noen fordeler og ulemper med hvert materiale.

Karbonfiber vs aluminium målt

Nedenfor er definisjonene av de forskjellige egenskapene som brukes til å sammenligne de to materialene:

Elastisitetsmodul = Stivheten til et materiale. Forholdet mellom stress og belastning for et materiale. Skråningen av spenningen mot belastningskurven for et materiale i dets elastiske region.

Ultimate strekkstyrke = maksimal belastning et materiale tåler før det brytes.

Tetthet = materialets masse per volumsenhet.

Spesifikk stivhet = Elastisitetsmodul delt på materialets tetthet. Brukes til å sammenligne materialer med forskjellige tettheter.

Spesifikk strekkstyrke = Strekkstyrke delt på materialets tetthet.

Med denne informasjonen i tankene, sammenligner tabellen nedenfor karbonfiber og aluminium.

Merk: Mange faktorer kan påvirke disse tallene. Dette er generaliseringer; ikke absolutte målinger. For eksempel er forskjellige karbonfibermaterialer tilgjengelig med høyere stivhet eller styrke, ofte med en avveining i reduksjon av andre egenskaper.

Mål Karbonfiber Aluminium Karbon / Aluminium
Sammenligning
Elastisitetsmodul (E) GPa 70 68.9 100%
Strekkfasthet (σ) MPa 1035 450 230%
Tetthet (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Spesifikk stivhet (E / ρ) 43.8 25.6 171%
Spesifikk strekkstyrke (σ / ρ) 647 166 389%

Dette diagrammet viser at karbonfiber har en spesifikk strekkstyrke på omtrent 3,8 ganger aluminium og en spesifikk stivhet på 1,71 ganger aluminium.

Sammenligning av termiske egenskaper til karbonfiber og aluminium

To egenskaper som viser forskjellene mellom karbonfiber og aluminium er termisk ekspansjon og varmeledningsevne.

Termisk ekspansjon beskriver hvordan materialets dimensjoner endres når temperaturen endres.

Mål Karbonfiber Aluminium Aluminium / Karbon
Sammenligning
Termisk ekspansjon 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6.5

Aluminium har omtrent seks ganger den termiske utvidelsen av karbonfiber.

Fordeler og ulemper

Ved utforming av avanserte materialer og systemer, må ingeniører bestemme hvilke materialegenskaper som er viktigst for spesifikke applikasjoner. Når høy styrke til vekt eller høy stivhet til vekt betyr noe, er karbonfiber det opplagte valget. Når det gjelder strukturell design, når ekstra vekt kan forkorte livssykluser eller føre til dårlig ytelse, bør designere se på karbonfiber som det bedre byggematerialet. Når seighet er viktig, kombineres karbonfiber lett med andre materialer for å oppnå de nødvendige egenskapene.

Karbonfiberens lave termiske ekspansjonsegenskaper er en betydelig fordel når man lager produkter som krever høy grad av presisjon og dimensjonsstabilitet under forhold der temperaturen svinger: optiske enheter, 3D-skannere, teleskoper, etc.

Det er også noen ulemper ved å bruke karbonfiber. Karbonfiber gir ikke. Under belastning vil karbonfiber bøyes, men vil ikke tilpasse seg den nye formen (elastisk) permanent. Når den ultimate strekkfastheten til karbonfibermaterialet er overskredet svikter karbonfiber plutselig. Ingeniører må forstå denne oppførselen og inkludere sikkerhetsfaktorer for å ta hensyn til den når de designer produkter. Karbonfiberdeler er også betydelig dyrere enn aluminium på grunn av de høye kostnadene for å produsere karbonfiber og den store dyktigheten og erfaringen med å lage komposittdeler av høy kvalitet.


Innleggstid: Jun-24-2021