ألياف الكربون مقابل الألومنيوم

تحل ألياف الكربون محل الألومنيوم في مجموعة متزايدة من التطبيقات، وقد ظلت تفعل ذلك خلال العقود القليلة الماضية. تُعرف هذه الألياف بقوتها وصلابتها الاستثنائية كما أنها خفيفة الوزن للغاية. يتم دمج خيوط ألياف الكربون مع راتنجات مختلفة لإنشاء مواد مركبة. تستفيد هذه المواد المركبة من خصائص كل من الألياف والراتنج. توفر هذه المقالة مقارنة بين خصائص ألياف الكربون والألمنيوم، بالإضافة إلى بعض إيجابيات وسلبيات كل مادة.

قياس ألياف الكربون مقابل الألومنيوم

فيما يلي تعريفات الخصائص المختلفة المستخدمة لمقارنة المادتين:

معامل المرونة = "صلابة" المادة. نسبة الإجهاد إلى الانفعال للمادة. ميل منحنى الإجهاد مقابل الانفعال لمادة ما في منطقتها المرنة.

قوة الشد القصوى = أقصى ضغط يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تنكسر.

الكثافة = كتلة المادة لكل وحدة حجم.

الصلابة النوعية = معامل المرونة مقسومًا على كثافة المادة. تستخدم لمقارنة المواد ذات الكثافات المختلفة.

قوة الشد النوعية = قوة الشد مقسومة على كثافة المادة.

مع أخذ هذه المعلومات في الاعتبار، يقارن الرسم البياني التالي بين ألياف الكربون والألومنيوم.

ملاحظة: هناك العديد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على هذه الأرقام. هذه تعميمات. ليست قياسات مطلقة على سبيل المثال، تتوفر مواد مختلفة من ألياف الكربون ذات صلابة أو قوة أعلى، وغالبًا ما يتم ذلك مع مقايضة تقليل خصائص أخرى.

يوضح هذا الرسم البياني أن ألياف الكربون تتمتع بقوة شد محددة تبلغ حوالي 3.8 مرة من الألومنيوم وصلابة محددة تبلغ 1.71 مرة من الألومنيوم.

مقارنة الخواص الحرارية لألياف الكربون والألومنيوم

هناك خاصيتان أخريان تظهران الاختلافات بين ألياف الكربون والألومنيوم وهما التمدد الحراري والتوصيل الحراري.

يصف التمدد الحراري كيف تتغير أبعاد المادة عندما تتغير درجات الحرارة.

الألومنيوم لديه ما يقرب من ستة أضعاف التمدد الحراري لألياف الكربون.

إيجابيات وسلبيات

عند تصميم المواد والأنظمة المتقدمة، يجب على المهندسين تحديد خصائص المواد الأكثر أهمية لتطبيقات محددة. عندما تكون القوة العالية إلى الوزن أو الصلابة العالية إلى الوزن أمرًا مهمًا، فإن ألياف الكربون هي الخيار الواضح. فيما يتعلق بالتصميم الهيكلي، عندما يؤدي الوزن الإضافي إلى تقصير دورات الحياة أو يؤدي إلى ضعف الأداء، يجب على المصممين النظر إلى ألياف الكربون باعتبارها مادة البناء الأفضل. عندما تكون المتانة ضرورية، يتم دمج ألياف الكربون بسهولة مع مواد أخرى للحصول على الخصائص الضرورية.

تعتبر خصائص التمدد الحراري المنخفض لألياف الكربون ميزة كبيرة عند إنشاء منتجات تتطلب درجة عالية من الدقة واستقرار الأبعاد في الظروف التي تتقلب فيها درجات الحرارة: الأجهزة البصرية، والماسحات الضوئية ثلاثية الأبعاد، والتلسكوبات، وما إلى ذلك.

هناك أيضًا بعض العيوب لاستخدام ألياف الكربون. ألياف الكربون لا تسفر. تحت الحمل، سوف تنحني ألياف الكربون ولكنها لن تتوافق بشكل دائم مع الشكل الجديد (المرن). بمجرد تجاوز قوة الشد القصوى لمادة ألياف الكربون، تفشل ألياف الكربون فجأة. يجب على المهندسين فهم هذا السلوك وإدراج عوامل السلامة لمراعاة ذلك عند تصميم المنتجات. تعد أجزاء ألياف الكربون أيضًا أكثر تكلفة بكثير من الألومنيوم بسبب التكلفة العالية لإنتاج ألياف الكربون والمهارة والخبرة الكبيرة التي ينطوي عليها إنشاء أجزاء مركبة عالية الجودة.