Uhlíková vlákna nahrazují hliník v rostoucím množství různých aplikací a činí tak již několik desetiletí. Tato vlákna jsou známá pro svou výjimečnou pevnost a tuhost a jsou také extrémně lehká. Prameny uhlíkových vláken jsou kombinovány s různými pryskyřicemi za účelem vytvoření kompozitních materiálů. Tyto kompozitní materiály využívají vlastností vlákna i pryskyřice. Tento článek poskytuje srovnání vlastností uhlíkových vláken oproti hliníku spolu s některými klady a zápory každého materiálu.
Měřeno uhlíkové vlákno vs hliník
Níže jsou uvedeny definice různých vlastností používaných k porovnání těchto dvou materiálů:
Modul pružnosti = „tuhost“ materiálu. Poměr napětí a deformace pro materiál. Sklon křivky napětí vs. deformace pro materiál v jeho elastické oblasti.
Mezní pevnost v tahu = maximální namáhání, kterému materiál může odolat, než se zlomí.
Hustota = hmotnost materiálu na jednotku objemu.
Specifická tuhost = Modul pružnosti dělený hustotou materiálu. Používá se pro porovnávání materiálů s rozdílnou hustotou.
Specifická pevnost v tahu = Pevnost v tahu dělená hustotou materiálu.
S ohledem na tyto informace následující tabulka porovnává uhlíková vlákna a hliník.
Poznámka: Tato čísla může ovlivnit mnoho faktorů. To jsou zobecnění; ne absolutní měření. Například jsou k dispozici různé materiály z uhlíkových vláken s vyšší tuhostí nebo pevností, často s kompromisem ve snížení jiných vlastností.
| Měření | Uhlíkové vlákno | Hliník | Karbon/hliník Srovnání |
| Modul pružnosti (E) GPa | 70 | 68,9 | 100 % |
| Pevnost v tahu (σ) MPa | 1035 | 450 | 230 % |
| Hustota (ρ) g/cm3 | 1.6 | 2.7 | 59 % |
| Specifická tuhost (E/ρ) | 43,8 | 25.6 | 171 % |
| Specifická pevnost v tahu (σ /ρ) | 647 | 166 | 389 % |
Tento graf ukazuje, že uhlíkové vlákno má specifickou pevnost v tahu přibližně 3,8krát větší než hliník a specifickou tuhost 1,71krát větší než hliník.
Porovnání tepelných vlastností uhlíkových vláken a hliníku
Další dvě vlastnosti, které ukazují rozdíly mezi uhlíkovými vlákny a hliníkem, jsou tepelná roztažnost a tepelná vodivost.
Tepelná roztažnost popisuje, jak se při změně teplot mění rozměry materiálu.
| Měření | Uhlíkové vlákno | Hliník | Hliník/uhlík Srovnání |
| Tepelná roztažnost | 2 palce/palec/°F | 13 palců/palců/°F | 6.5 |
Hliník má přibližně šestkrát větší tepelnou roztažnost než uhlíková vlákna.
Pro a proti
Při navrhování pokročilých materiálů a systémů musí inženýři určit, které vlastnosti materiálů jsou pro konkrétní aplikace nejdůležitější. Když záleží na vysoké pevnosti vůči hmotnosti nebo vysoké tuhosti vůči hmotnosti, uhlíková vlákna jsou jasnou volbou. Pokud jde o konstrukční návrh, kdy by přidaná hmotnost mohla zkrátit životní cykly nebo vést ke špatnému výkonu, měli by konstruktéři hledat uhlíková vlákna jako lepší stavební materiál. Je-li houževnatost zásadní, lze uhlíková vlákna snadno kombinovat s jinými materiály, aby se získaly potřebné vlastnosti.
Nízká tepelná roztažnost uhlíkových vláken je významnou výhodou při výrobě produktů, které vyžadují vysoký stupeň přesnosti a rozměrové stability v podmínkách kolísání teplot: optická zařízení, 3D skenery, teleskopy atd.
Použití uhlíkových vláken má také několik nevýhod. Uhlíkové vlákno se nevztahuje. Při zatížení se uhlíkové vlákno ohne, ale nebude se trvale přizpůsobovat novému tvaru (elastické). Jakmile je překročena konečná pevnost v tahu materiálu z uhlíkových vláken, uhlíkové vlákno náhle selže. Inženýři musí tomuto chování porozumět a zahrnout bezpečnostní faktory, aby ho zohlednili při navrhování produktů. Díly z uhlíkových vláken jsou také výrazně dražší než hliníkové kvůli vysokým nákladům na výrobu uhlíkových vláken a velkým dovednostem a zkušenostem spojeným s vytvářením vysoce kvalitních kompozitních dílů.
Čas odeslání: 24. června 2021