Углеродное волокно против алюминия

Углеродное волокно заменяет алюминий во все более разнообразных сферах применения, причем последние несколько десятилетий это происходит. Эти волокна известны своей исключительной прочностью и жесткостью, а также чрезвычайно легкими. Пряди углеродного волокна комбинируются с различными смолами для создания композитных материалов. В этих композитных материалах используются свойства как волокна, так и смолы. В этой статье приводится сравнение свойств углеродного волокна и алюминия, а также некоторые плюсы и минусы каждого материала.

Углеродное волокно и алюминий измерены

Ниже приведены определения различных свойств, используемых для сравнения двух материалов:

Модуль упругости = «жесткость» материала. Отношение напряжения к деформации материала. Наклон кривой зависимости напряжения от деформации для материала в его упругой области.

Предел прочности на разрыв = максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед разрушением.

Плотность = масса материала на единицу объема.

Удельная жесткость = модуль упругости, деленный на плотность материала. Используется для сравнения материалов с разной плотностью.

Удельная прочность на растяжение = предел прочности на разрыв, деленный на плотность материала.

Учитывая эту информацию, в следующей таблице сравниваются углеродное волокно и алюминий.

Примечание. На эти числа могут повлиять многие факторы. Это обобщения; не абсолютные измерения. Например, доступны различные материалы из углеродного волокна с более высокой жесткостью или прочностью, часто с ухудшением других свойств.

Измерение Углеродное волокно Алюминий Углерод / Алюминий
Сравнение
Модуль упругости (E) ГПа 70 68,9 100%
Прочность на разрыв (σ) МПа 1035 450 230%
Плотность (ρ) г / см3 1.6 2,7 59%
Удельная жесткость (E / ρ) 43,8 25,6 171%
Удельная прочность на разрыв (σ / ρ) 647 166 389%

Эта диаграмма показывает, что углеродное волокно имеет удельную прочность на разрыв примерно в 3,8 раза больше, чем у алюминия, и удельную жесткость в 1,71 раза больше, чем у алюминия.

Сравнение термических свойств углеродного волокна и алюминия

Еще два свойства, которые показывают разницу между углеродным волокном и алюминием, - это тепловое расширение и теплопроводность.

Термическое расширение описывает, как изменяются размеры материала при изменении температуры.

Измерение Углеродное волокно Алюминий Алюминий / Углерод
Сравнение
Термическое расширение 2 дюйма / дюйм / ° F 13 дюймов / дюйм / ° F 6.5

Тепловое расширение алюминия примерно в шесть раз больше, чем у углеродного волокна.

Плюсы и минусы

При разработке современных материалов и систем инженеры должны определить, какие свойства материалов наиболее важны для конкретных приложений. Когда имеет значение соотношение прочности к массе или высокой жесткости к массе, очевидным выбором является углеродное волокно. С точки зрения конструктивного дизайна, когда дополнительный вес может сократить жизненный цикл или привести к снижению производительности, дизайнеры должны рассматривать углеродное волокно как лучший строительный материал. Когда важна прочность, углеродное волокно легко комбинируется с другими материалами для получения необходимых характеристик.

Низкое тепловое расширение углеродного волокна является значительным преимуществом при создании продуктов, требующих высокой степени точности и стабильности размеров в условиях колебаний температуры: оптические устройства, 3D-сканеры, телескопы и т. Д.

У использования углеродного волокна также есть несколько недостатков. Углеродное волокно не поддается. Под нагрузкой углеродное волокно будет гнуться, но не будет постоянно принимать новую форму (эластичное). Как только предел прочности углеродного волокна превышен, углеродное волокно внезапно выходит из строя. Инженеры должны понимать это поведение и учитывать факторы безопасности при разработке продуктов. Детали из углеродного волокна также значительно дороже алюминия из-за высокой стоимости производства углеродного волокна и большого опыта и навыков, необходимых для создания высококачественных композитных деталей.


Время публикации: июн-24-2021