Вуглецеве волокно проти алюмінію

Вуглецеве волокно замінює алюміній у все більшій кількості застосувань, і робить це протягом останніх кількох десятиліть. Ці волокна відомі своєю винятковою міцністю та жорсткістю, а також надзвичайно легкі. Вуглецеві волокна поєднуються з різними смолами для створення композиційних матеріалів. Ці композиційні матеріали використовують переваги як волокна, так і смоли. Ця стаття пропонує порівняння властивостей вуглецевого волокна та алюмінію, а також деякі плюси і мінуси кожного матеріалу.

Виміряне вуглецеве волокно та алюміній

Нижче наведено визначення різних властивостей, що використовуються для порівняння двох матеріалів:

Модуль пружності = “жорсткість” матеріалу. Відношення напруги до деформації для матеріалу. Нахил кривої напруги проти деформації для матеріалу в його пружній області.

Гранична міцність на розрив = максимальна напруга, яку матеріал може витримати перед руйнуванням.

Щільність = маса матеріалу в одиниці об’єму.

Питома жорсткість = модуль пружності, поділений на щільність матеріалу. Використовується для порівняння матеріалів з різною щільністю.

Питома міцність на розрив = Міцність на розрив, поділена на щільність матеріалу.

З огляду на цю інформацію, у наступній таблиці порівнюються вуглецеве волокно та алюміній.

Примітка: Багато факторів можуть впливати на ці цифри. Це узагальнення; не абсолютні вимірювання. Наприклад, доступні різні вуглецеві волокна з більш високою жорсткістю або міцністю, часто з компромісом у зниженні інших властивостей.

Вимірювання Вуглецеве волокно Алюміній Вуглець / алюміній
Порівняння
Модуль пружності (Е) ГПа 70 68,9 100%
Міцність на розрив (σ) МПа 1035 450 230%
Щільність (ρ) г / см3 1.6 2.7 59%
Питома жорсткість (E / ρ) 43,8 25.6 171%
Питома міцність на розрив (σ / ρ) 647 166 389%

Ця діаграма показує, що вуглецеве волокно має питому міцність на розрив приблизно в 3,8 рази більше, ніж у алюмінію, і питому жорсткість в 1,71 рази, ніж у алюмінію.

Порівняння теплових властивостей вуглецевого волокна та алюмінію

Ще дві властивості, що демонструють відмінності між вуглецевим волокном та алюмінієм, - це теплові розширення та теплопровідність.

Термічне розширення описує, як змінюються розміри матеріалу при зміні температур.

Вимірювання Вуглецеве волокно Алюміній Алюміній / Карбон
Порівняння
Теплове розширення 2 дюйма / дюйми / ° F 13 дюймів / дюймів / ° F 6.5

Алюміній має приблизно в шість разів більше теплового розширення вуглецевого волокна.

Плюси і мінуси

Розробляючи вдосконалені матеріали та системи, інженери повинні визначити, які властивості матеріалів є найбільш важливими для конкретного застосування. Коли важлива висока міцність до ваги або висока жорсткість до ваги, вуглецеве волокно є очевидним вибором. Що стосується конструкції конструкції, коли додана вага може скоротити життєві цикли або призвести до поганих експлуатаційних характеристик, дизайнери повинні розглядати вуглецеве волокно як кращий будівельний матеріал. Коли в’язкість необхідна, вуглецеве волокно легко поєднується з іншими матеріалами для отримання необхідних характеристик.

Низькі властивості теплового розширення вуглецевого волокна є суттєвою перевагою при створенні виробів, що вимагають високого ступеня точності та стабільності розмірів в умовах коливання температур: оптичні прилади, 3D-сканери, телескопи тощо.

Є також кілька недоліків використання вуглецевого волокна. Вуглецеве волокно не дає. Під навантаженням вуглецеве волокно буде гнутися, але не буде постійно відповідати новій формі (еластичне). Як тільки гранична межа міцності матеріалу вуглецевого волокна перевищена, вуглецеве волокно раптово виходить з ладу. Інженери повинні розуміти таку поведінку та включати фактори безпеки для її врахування при проектуванні продукції. Деталі з вуглецевого волокна також значно дорожчі за алюмінієві через високу вартість виробництва вуглецевого волокна та велику майстерність та досвід створення високоякісних композиційних деталей.


Час публікації: червень-24-2021