Uhlíkové vlákno vs hliník

Uhlíkové vlákno nahrádza hliník v čoraz väčšej miere aplikácií a robí to posledných pár desaťročí. Tieto vlákna sú známe svojou mimoriadnou pevnosťou a tuhosťou a sú tiež mimoriadne ľahké. Pásy z uhlíkových vlákien sa kombinujú s rôznymi živicami, aby sa vytvorili kompozitné materiály. Tieto kompozitné materiály využívajú vlastnosti vlákien aj živice. Tento článok poskytuje porovnanie vlastností uhlíkových vlákien v porovnaní s hliníkom spolu s výhodami a nevýhodami každého materiálu.

Merané uhlíkové vlákno vs hliník

Ďalej uvádzame definície rôznych vlastností použitých na porovnanie týchto dvoch materiálov:

Modul pružnosti = „tuhosť“ materiálu. Pomer napätia a napätia pre materiál. Sklon krivky závislosti napätia od deformácie pre materiál v jeho elastickej oblasti.

Konečná pevnosť v ťahu = maximálne napätie, ktoré môže materiál vydržať pred zlomením.

Hustota = hmotnosť materiálu na jednotku objemu.

Špecifická tuhosť = modul pružnosti vydelený hustotou materiálu. Používa sa na porovnanie materiálov s rozdielnymi hustotami.

Merná pevnosť v ťahu = pevnosť v ťahu vydelená hustotou materiálu.

S ohľadom na tieto informácie porovnáva nasledujúca tabuľka uhlíkové vlákna a hliník.

Poznámka: Tieto čísla môžu ovplyvniť veľa faktorov. Toto sú zovšeobecnenia; nie absolútne merania. Napríklad sú k dispozícii rôzne materiály z uhlíkových vlákien s vyššou tuhosťou alebo pevnosťou, často s kompromisom pri znižovaní iných vlastností.

Meranie Uhlíkové vlákno Hliník Uhlík / hliník
Porovnanie
Modul pružnosti (E) GPa 70 68,9 100%
Pevnosť v ťahu (σ) MPa 1035 450 230%
Hustota (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Špecifická tuhosť (E / ρ) 43,8 25.6 171%
Špecifická pevnosť v ťahu (σ / ρ) 647 166 389%

Táto tabuľka ukazuje, že uhlíkové vlákno má špecifickú pevnosť v ťahu približne 3,8-krát vyššiu ako v prípade hliníka a špecifickú tuhosť 1,71-krát vyššiu ako v prípade hliníka.

Porovnanie tepelných vlastností uhlíkových vlákien a hliníka

Dve ďalšie vlastnosti, ktoré ukazujú rozdiely medzi uhlíkovými vláknami a hliníkom, sú tepelná rozťažnosť a tepelná vodivosť.

Tepelná rozťažnosť popisuje, ako sa menia rozmery materiálu pri zmene teplôt.

Meranie Uhlíkové vlákno Hliník Hliník / uhlík
Porovnanie
Tepelná rozťažnosť 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6.5

Hliník má približne šesťnásobok tepelnej rozťažnosti uhlíkových vlákien.

Klady a zápory

Pri navrhovaní pokrokových materiálov a systémov musia inžinieri určiť, ktoré vlastnosti materiálov sú pre konkrétne aplikácie najdôležitejšie. Keď záleží na vysokej hmotnosti alebo vysokej tuhosti na hmotnosti, je uhlíkové vlákno zrejmou voľbou. Pokiaľ ide o konštrukčný dizajn, keď by pridaná váha mohla skrátiť životnosť alebo viesť k zlému výkonu, mali by sa dizajnéri pozerať na uhlíkové vlákna ako na lepší stavebný materiál. Keď je nevyhnutná húževnatosť, uhlíkové vlákno sa ľahko kombinuje s inými materiálmi, aby sa získali potrebné vlastnosti.

Vlastnosti nízkej tepelnej rozťažnosti uhlíkových vlákien sú významnou výhodou pri vytváraní výrobkov, ktoré vyžadujú vysoký stupeň presnosti a tvarovú stálosť v podmienkach, kde teploty kolíšu: optické zariadenia, 3D skenery, ďalekohľady atď.

Používanie uhlíkových vlákien má tiež niekoľko nevýhod. Uhlíkové vlákno sa nepoddáva. Pri zaťažení sa uhlíkové vlákna ohnú, ale nebudú sa trvale prispôsobovať novému tvaru (elastickému). Akonáhle dôjde k prekročeniu medznej pevnosti materiálu z uhlíkových vlákien, uhlíkové vlákno náhle zlyhá. Inžinieri musia tomuto správaniu porozumieť a zahrnúť bezpečnostné faktory, ktoré ho zohľadňujú pri navrhovaní výrobkov. Dielce z uhlíkových vlákien sú tiež podstatne nákladnejšie ako hliník kvôli vysokým nákladom na výrobu uhlíkových vlákien a veľkým zručnostiam a skúsenostiam pri vytváraní vysokokvalitných kompozitných dielov.


Čas zverejnenia: 24. júna - 20.06