Въглеродни влакна срещу алуминий

Въглеродните влакна заменят алуминия във все по-голямо разнообразие от приложения и го правят през последните няколко десетилетия. Тези влакна са известни със своята изключителна здравина и твърдост и са изключително леки. Нишките от въглеродни влакна се комбинират с различни смоли за създаване на композитни материали. Тези композитни материали се възползват от свойствата както на влакната, така и на смолата. Тази статия предоставя сравнение на свойствата на въглеродните влакна спрямо алуминия, заедно с някои плюсове и минуси на всеки материал.

Измерени въглеродни влакна срещу алуминий

По-долу са дефинициите на различните свойства, използвани за сравнение на двата материала:

Модул на еластичност = "твърдостта" на материала. Съотношението на напрежение към деформация за даден материал. Наклонът на кривата напрежение срещу деформация за материал в неговата еластична област.

Крайна якост на опън = максималното напрежение, на което материалът може да издържи, преди да се счупи.

Плътност = масата на материала за единица обем.

Специфична твърдост = модул на еластичност, разделен на плътността на материала. Използва се за сравняване на материали с различна плътност.

Специфична якост на опън = Якост на опън, разделена на плътността на материала.

Имайки предвид тази информация, следващата диаграма сравнява въглеродни влакна и алуминий.

Забележка: Много фактори могат да повлияят на тези числа. Това са обобщения; не абсолютни измервания. Например, налични са различни материали от въглеродни влакна с по-висока твърдост или здравина, често с компромис при намаляване на други свойства.

Тази диаграма показва, че въглеродните влакна имат специфична якост на опън приблизително 3,8 пъти по-голяма от тази на алуминия и специфична твърдост 1,71 пъти по-голяма от тази на алуминия.

Сравняване на термичните свойства на въглеродни влакна и алуминий

Още две свойства, които показват разликите между въглеродните влакна и алуминия, са топлинното разширение и топлопроводимостта.

Термичното разширение описва как размерите на материала се променят при промяна на температурите.

Алуминият има приблизително шест пъти по-голямо термично разширение от въглеродните влакна.

Плюсове и минуси

Когато проектират модерни материали и системи, инженерите трябва да определят кои свойства на материала са най-важни за конкретни приложения. Когато високата якост към тегло или високата твърдост към тегло има значение, въглеродните влакна са очевидният избор. По отношение на структурния дизайн, когато добавеното тегло може да съкрати жизнените цикли или да доведе до лоша производителност, дизайнерите трябва да гледат на въглеродните влакна като на по-добрия строителен материал. Когато здравината е от съществено значение, въглеродните влакна лесно се комбинират с други материали, за да се получат необходимите характеристики.

Ниските свойства на термично разширение на въглеродните влакна са значително предимство при създаването на продукти, които изискват висока степен на прецизност и стабилност на размерите в условия, при които температурите варират: оптични устройства, 3D скенери, телескопи и др.

Има и няколко недостатъка при използването на въглеродни влакна. Карбоновите влакна не отстъпват. Под натоварване въглеродните влакна ще се огънат, но няма да се приспособят постоянно към новата форма (еластична). След като крайната якост на опън на материала от въглеродни влакна бъде превишена, въглеродните влакна внезапно се повреждат. Инженерите трябва да разберат това поведение и да включат фактори за безопасност, за да го отчетат при проектирането на продукти. Частите от въглеродни влакна също са значително по-скъпи от алуминиевите поради високата цена за производство на въглеродни влакна и големите умения и опит, включени в създаването на висококачествени композитни части.