Włókno węglowe a aluminium

Włókno węglowe zastępuje aluminium w coraz większej gamie zastosowań i robi to od kilkudziesięciu lat. Włókna te są znane z wyjątkowej wytrzymałości i sztywności, a także są niezwykle lekkie. Pasma włókna węglowego są łączone z różnymi żywicami, tworząc materiały kompozytowe. Te materiały kompozytowe wykorzystują właściwości zarówno włókna, jak i żywicy. Ten artykuł zawiera porównanie właściwości włókna węglowego w porównaniu z aluminium, wraz z kilkoma zaletami i wadami każdego materiału.

Pomiar włókna węglowego a aluminium

Poniżej znajdują się definicje różnych właściwości używanych do porównania dwóch materiałów:

Moduł sprężystości = „Sztywność” materiału. Stosunek naprężenia do odkształcenia dla materiału. Nachylenie krzywej naprężenia w funkcji odkształcenia dla materiału w jego obszarze sprężystym.

Najwyższa wytrzymałość na rozciąganie = maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać przed pęknięciem.

Gęstość = masa materiału na jednostkę objętości.

Sztywność właściwa = moduł sprężystości podzielony przez gęstość materiału. Służy do porównywania materiałów o różnych gęstościach.

Specyficzna wytrzymałość na rozciąganie = wytrzymałość na rozciąganie podzielona przez gęstość materiału.

Mając te informacje na uwadze, w poniższej tabeli porównano włókno węglowe i aluminium.

Uwaga: na te liczby może mieć wpływ wiele czynników. To są uogólnienia; nie pomiary bezwzględne. Na przykład dostępne są różne materiały z włókna węglowego o większej sztywności lub wytrzymałości, często z kompromisem w zakresie redukcji innych właściwości.

Ten wykres pokazuje, że włókno węglowe ma specyficzną wytrzymałość na rozciąganie około 3,8 razy większą niż aluminium i określoną sztywność 1,71 razy większą niż aluminium.

Porównanie właściwości termicznych włókna węglowego i aluminium

Dwie kolejne właściwości, które pokazują różnice między włóknem węglowym a aluminium, to rozszerzalność cieplna i przewodność cieplna.

Rozszerzalność termiczna opisuje, jak wymiary materiału zmieniają się wraz ze zmianą temperatury.

Aluminium ma około sześciokrotnie większą rozszerzalność cieplną niż włókno węglowe.

Plusy i minusy

Projektując zaawansowane materiały i systemy, inżynierowie muszą określić, które właściwości materiału są najważniejsze w konkretnych zastosowaniach. Gdy liczy się wysoka wytrzymałość w stosunku do wagi lub wysoka sztywność w stosunku do wagi, oczywistym wyborem jest włókno węglowe. Jeśli chodzi o projekt konstrukcyjny, kiedy zwiększenie masy może skrócić cykl życia lub prowadzić do słabej wydajności, projektanci powinni uważać włókno węglowe za lepszy materiał budowlany. Gdy wytrzymałość jest niezbędna, włókno węglowe można łatwo łączyć z innymi materiałami, aby uzyskać niezbędne właściwości.

Niska rozszerzalność cieplna włókna węglowego jest istotną zaletą przy tworzeniu produktów wymagających dużej precyzji i stabilności wymiarowej w warunkach zmiennych temperatur: urządzenia optyczne, skanery 3D, teleskopy itp.

Istnieje również kilka wad korzystania z włókna węglowego. Włókno węglowe nie poddaje się. Pod obciążeniem włókno węglowe ugnie się, ale nie dostosuje się trwale do nowego kształtu (elastyczne). Po przekroczeniu maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie materiału z włókna węglowego włókno węglowe nagle ulega awarii. Inżynierowie muszą zrozumieć to zachowanie i uwzględnić czynniki bezpieczeństwa, aby uwzględnić je podczas projektowania produktów. Części z włókna węglowego są również znacznie droższe niż aluminium ze względu na wysoki koszt produkcji włókna węglowego oraz duże umiejętności i doświadczenie związane z tworzeniem wysokiej jakości części kompozytowych.