Вугляроднае валакно замяняе алюміній ва ўсё больш шырокім спектры прымянення і робіць гэта на працягу апошніх некалькіх дзесяцігоддзяў. Гэтыя валакна вядомыя сваёй выключнай трываласцю і калянасцю, а таксама вельмі лёгкія. Ніткі вугляроднага валакна спалучаюцца з рознымі смоламі для стварэння кампазітных матэрыялаў. Гэтыя кампазітныя матэрыялы выкарыстоўваюць уласцівасці як валакна, так і смалы. У гэтым артыкуле прыводзіцца параўнанне ўласцівасцей вугляроднага валакна з алюмініем, а таксама некаторыя плюсы і мінусы кожнага матэрыялу.
Вымярэнне вугляроднага валакна супраць алюмінія
Ніжэй прыведзены азначэнні розных уласцівасцей, якія выкарыстоўваюцца для параўнання двух матэрыялаў:
Модуль пругкасці = «калянасць» матэрыялу. Адносіны напружання да дэфармацыі матэрыялу. Нахіл крывой напружання ад дэфармацыі для матэрыялу ў яго пругкай вобласці.
Граніца трываласці на разрыў = максімальнае напружанне, якое можа вытрымаць матэрыял перад разрывам.
Шчыльнасць = маса матэрыялу на адзінку аб'ёму.
Удзельная калянасць = модуль пругкасці, падзелены на шчыльнасць матэрыялу. Выкарыстоўваецца для параўнання матэрыялаў з рознай шчыльнасцю.
Удзельная трываласць на разрыў = трываласць на разрыў, падзеленая на шчыльнасць матэрыялу.
Улічваючы гэтую інфармацыю, наступная табліца параўноўвае вугляроднае валакно і алюміній.
Заўвага: на гэтыя лічбы можа паўплываць шмат фактараў. Гэта абагульненні; не абсалютныя вымярэнні. Напрыклад, розныя матэрыялы з вугляроднага валакна даступныя з больш высокай калянасцю або трываласцю, часта з кампрамісам у зніжэнні іншых уласцівасцяў.
| Вымярэнне | Вугляроднае валакно | Алюміній | Вуглярод/алюміній Параўнанне |
| Модуль пругкасці (E) ГПа | 70 | 68.9 | 100% |
| Трываласць на разрыў (σ) МПа | 1035 | 450 | 230% |
| Шчыльнасць (ρ) г/см3 | 1.6 | 2.7 | 59% |
| Удзельная калянасць (E/ρ) | 43.8 | 25.6 | 171% |
| Удзельная трываласць на разрыў (σ /ρ) | 647 | 166 | 389% |
Гэтая дыяграма паказвае, што вугляроднае валакно мае ўдзельную трываласць на расцяжэнне прыблізна ў 3,8 раза больш, чым у алюмінія, і ўдзельную калянасць у 1,71 раза больш, чым у алюмінія.
Параўнанне цеплавых уласцівасцей вугляроднага валакна і алюмінія
Яшчэ дзве ўласцівасці, якія паказваюць адрозненні паміж вугляродным валакном і алюмініем, - цеплавое пашырэнне і цеплаправоднасць.
Цеплавое пашырэнне апісвае, як змяняюцца памеры матэрыялу пры змене тэмпературы.
| Вымярэнне | Вугляроднае валакно | Алюміній | Алюміній/вуглярод Параўнанне |
| Цеплавое пашырэнне | 2 цалі/цалі/°F | 13 цаляў/цаляў/°F | 6.5 |
Алюміній мае прыкладна ў шэсць разоў большае цеплавое пашырэнне, чым вугляроднае валакно.
Плюсы і мінусы
Пры распрацоўцы перадавых матэрыялаў і сістэм інжынеры павінны вызначыць, якія ўласцівасці матэрыялаў найбольш важныя для канкрэтных прыкладанняў. Калі мае значэнне высокая трываласць да вагі або высокая калянасць да вагі, вугляроднае валакно - відавочны выбар. З пункту гледжання структурнага дызайну, калі дадатковая вага можа скараціць жыццёвы цыкл або прывесці да нізкай прадукцыйнасці, дызайнерам варта разглядаць вугляроднае валакно як лепшы будаўнічы матэрыял. Калі трываласць важная, вугляроднае валакно лёгка спалучаецца з іншымі матэрыяламі для атрымання неабходных характарыстык.
Нізкія ўласцівасці цеплавога пашырэння вугляроднага валакна з'яўляюцца значнай перавагай пры стварэнні прадуктаў, якія патрабуюць высокай ступені дакладнасці і стабільнасці памераў ва ўмовах ваганняў тэмпературы: аптычныя прылады, 3D-сканеры, тэлескопы і г.д.
Ёсць таксама некалькі недахопаў выкарыстання вугляроднага валакна. Вугляроднае валакно не саступае. Пад нагрузкай вугляроднае валакно будзе згінацца, але не будзе пастаянна адпавядаць новай форме (пругкасці). Пасля таго, як мяжа трываласці на разрыў вугляроднага валакна перавышана, вугляроднае валакно раптоўна выходзіць з ладу. Інжынеры павінны разумець такія паводзіны і ўлічваць фактары бяспекі пры распрацоўцы прадуктаў. Дэталі з вугляроднага валакна таксама значна даражэйшыя за алюмініевыя з-за высокага кошту вытворчасці вугляроднага валакна і вялікага майстэрства і вопыту, неабходных для стварэння высакаякасных кампазітных дэталяў.
Час публікацыі: 24 чэрвеня 2021 г