Sợi carbon vs nhôm

Sợi carbon đang thay thế nhôm trong một loạt các ứng dụng ngày càng tăng và đã làm như vậy trong vài thập kỷ qua. Những sợi này được biết đến với độ bền và độ cứng đặc biệt của chúng và cũng cực kỳ nhẹ. Các sợi sợi carbon được kết hợp với nhiều loại nhựa khác nhau để tạo ra vật liệu composite. Các vật liệu composite này tận dụng các đặc tính của cả sợi và nhựa. Bài viết này cung cấp sự so sánh về các đặc tính của sợi carbon so với nhôm, cùng với một số ưu và nhược điểm của từng loại vật liệu.

Sợi carbon so với nhôm được đo

Dưới đây là định nghĩa về các thuộc tính khác nhau được sử dụng để so sánh hai vật liệu:

Mô đun đàn hồi = "Độ cứng" của vật liệu. Tỷ số giữa ứng suất và biến dạng đối với vật liệu. Độ dốc của đường cong ứng suất và biến dạng đối với vật liệu trong vùng đàn hồi của nó.

Độ bền kéo cuối cùng = ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi đứt.

Mật độ = khối lượng của vật liệu trên một đơn vị thể tích.

Độ cứng riêng = Môđun đàn hồi chia cho khối lượng riêng của vật liệu. Được sử dụng để so sánh các vật liệu có mật độ khác nhau.

Độ bền kéo cụ thể = Độ bền kéo chia cho mật độ của vật liệu.

Với thông tin này, biểu đồ sau sẽ so sánh sợi carbon và nhôm.

Lưu ý: Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến những con số này. Đây là những khái quát hóa; không phải là số đo tuyệt đối. Ví dụ, các vật liệu sợi carbon khác nhau có sẵn với độ cứng hoặc độ bền cao hơn, thường có sự đánh đổi bằng việc giảm các đặc tính khác.

Đo đạc Sợi carbon Nhôm Carbon / nhôm
So sánh
Mô đun đàn hồi (E) GPa 70 68,9 100%
Độ bền kéo (σ) MPa 1035 450 230%
Mật độ (ρ) g / cm3 1,6 2,7 59%
Độ cứng riêng (E / ρ) 43,8 25,6 171%
Độ bền kéo cụ thể (σ / ρ) 647 166 389%

Biểu đồ này cho thấy sợi carbon có độ bền kéo cụ thể xấp xỉ 3,8 lần so với nhôm và độ cứng cụ thể bằng 1,71 lần nhôm.

So sánh tính chất nhiệt của sợi carbon và nhôm

Hai đặc tính khác cho thấy sự khác biệt giữa sợi carbon và nhôm là giãn nở nhiệt và dẫn nhiệt.

Sự giãn nở nhiệt mô tả kích thước của vật liệu thay đổi như thế nào khi nhiệt độ thay đổi.

Đo đạc Sợi carbon Nhôm Nhôm / Carbon
So sánh
Sự giãn nở nhiệt 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6,5

Nhôm có độ giãn nở nhiệt gấp khoảng sáu lần so với sợi carbon.

Ưu và nhược điểm

Khi thiết kế các vật liệu và hệ thống tiên tiến, các kỹ sư phải xác định đặc tính vật liệu nào là quan trọng nhất cho các ứng dụng cụ thể. Khi các vấn đề về độ bền đối với trọng lượng hoặc độ cứng cao đối với trọng lượng, sợi carbon là sự lựa chọn rõ ràng. Về thiết kế cấu trúc, khi trọng lượng tăng thêm có thể rút ngắn vòng đời hoặc dẫn đến hiệu suất kém, các nhà thiết kế nên xem xét sợi carbon làm vật liệu xây dựng tốt hơn. Khi độ bền là cần thiết, sợi carbon dễ dàng kết hợp với các vật liệu khác để có được các đặc tính cần thiết.

Đặc tính giãn nở nhiệt thấp của sợi carbon là một lợi thế đáng kể khi tạo ra các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao và độ ổn định kích thước trong điều kiện nhiệt độ dao động: thiết bị quang học, máy quét 3D, kính thiên văn, v.v.

Cũng có một vài nhược điểm khi sử dụng sợi carbon. Sợi carbon không mang lại lợi ích. Dưới tải trọng, sợi carbon sẽ uốn cong nhưng vĩnh viễn không phù hợp với hình dạng mới (đàn hồi). Một khi độ bền kéo cuối cùng của vật liệu sợi carbon bị vượt quá, sợi carbon sẽ bị hỏng đột ngột. Các kỹ sư phải hiểu hành vi này và bao gồm các yếu tố an toàn để tính đến khi thiết kế sản phẩm. Các bộ phận bằng sợi carbon cũng đắt hơn đáng kể so với nhôm vì chi phí sản xuất sợi carbon cao và kỹ năng và kinh nghiệm tuyệt vời trong việc tạo ra các bộ phận composite chất lượng cao.


Thời gian đăng bài: Jun-24-2021