Ugljična vlakna zamjenjuju aluminij u sve većem broju primjena i to čine posljednjih nekoliko decenija. Ova vlakna su poznata po svojoj izuzetnoj snazi i krutosti, a također su izuzetno lagana. Pramenovi karbonskih vlakana se kombinuju sa raznim smolama za stvaranje kompozitnih materijala. Ovi kompozitni materijali iskorištavaju svojstva vlakana i smole. Ovaj članak daje poređenje svojstava karbonskih vlakana u odnosu na aluminijum, zajedno sa nekim prednostima i nedostacima svakog materijala.
Izmjerena karbonska vlakna naspram aluminija
Ispod su definicije različitih svojstava korištenih za poređenje ova dva materijala:
Modul elastičnosti = "krutost" materijala. Odnos naprezanja i deformacije za materijal. Nagib krivulje naprezanja u odnosu na deformaciju za materijal u njegovom elastičnom području.
Maksimalna vlačna čvrstoća = maksimalni napon koji materijal može izdržati prije loma.
Gustina = masa materijala po jedinici zapremine.
Specifična krutost = Modul elastičnosti podijeljen sa gustinom materijala. Koristi se za poređenje materijala različitih gustoća.
Specifična zatezna čvrstoća = Vlačna čvrstoća podijeljena sa gustinom materijala.
Imajući na umu ove informacije, sljedeći grafikon uspoređuje karbonska vlakna i aluminij.
Napomena: Mnogi faktori mogu uticati na ove brojke. Ovo su generalizacije; ne apsolutna mjerenja. Na primjer, dostupni su različiti materijali od karbonskih vlakana s većom krutošću ili čvrstoćom, često uz kompromis u smanjenju drugih svojstava.
| Measurement | Ugljična vlakna | Aluminijum | Karbon/aluminij Poređenje |
| Modul elastičnosti (E) GPa | 70 | 68.9 | 100% |
| Vlačna čvrstoća (σ) MPa | 1035 | 450 | 230% |
| Gustina (ρ) g/cm3 | 1.6 | 2.7 | 59% |
| Specifična krutost (E/ρ) | 43.8 | 25.6 | 171% |
| Specifična vlačna čvrstoća (σ /ρ) | 647 | 166 | 389% |
Ovaj grafikon pokazuje da karbonska vlakna imaju specifičnu vlačnu čvrstoću od približno 3,8 puta veću od aluminija i specifičnu krutost od 1,71 puta veću od aluminija.
Poređenje termičkih svojstava karbonskih vlakana i aluminija
Još dva svojstva koja pokazuju razliku između karbonskih vlakana i aluminija su toplinsko širenje i toplinska provodljivost.
Toplotna ekspanzija opisuje kako se dimenzije materijala mijenjaju kada se temperature mijenjaju.
| Measurement | Ugljična vlakna | Aluminijum | Aluminij/karbon Poređenje |
| Toplotna ekspanzija | 2 in/in/°F | 13 in/in/°F | 6.5 |
Aluminij ima približno šest puta veću toplinsku ekspanziju od karbonskih vlakana.
Za i protiv
Prilikom dizajniranja naprednih materijala i sistema, inženjeri moraju odrediti koja su svojstva materijala najvažnija za specifične primjene. Kada je važna visoka čvrstoća prema težini ili visoka krutost prema težini, karbonska vlakna su očigledan izbor. U pogledu strukturalnog dizajna, kada bi dodatna težina mogla skratiti životni ciklus ili dovesti do loših performansi, dizajneri bi trebali gledati na karbonska vlakna kao na bolji građevinski materijal. Kada je žilavost neophodna, karbonska vlakna se lako kombinuju sa drugim materijalima kako bi se dobile potrebne karakteristike.
Svojstva niske termičke ekspanzije karbonskih vlakana značajna su prednost pri stvaranju proizvoda koji zahtijevaju visok stupanj preciznosti i stabilnost dimenzija u uvjetima u kojima temperature fluktuiraju: optički uređaji, 3D skeneri, teleskopi itd.
Korištenje karbonskih vlakana također ima nekoliko nedostataka. Ugljična vlakna ne popuštaju. Pod opterećenjem, karbonska vlakna će se saviti, ali se neće trajno prilagoditi novom obliku (elastična). Jednom kada je krajnja vlačna čvrstoća materijala od karbonskih vlakana prekoračena, karbonska vlakna iznenada propadaju. Inženjeri moraju razumjeti ovo ponašanje i uključiti sigurnosne faktore kako bi ga uzeli u obzir prilikom dizajniranja proizvoda. Dijelovi od karbonskih vlakana su također značajno skuplji od aluminija zbog visoke cijene proizvodnje karbonskih vlakana i velike vještine i iskustva uključenih u stvaranje visokokvalitetnih kompozitnih dijelova.
Vrijeme objave: Jun-24-2021