Kulfiber vs aluminium

Kulfiber erstatter aluminium i et stigende antal anvendelser og har gjort det i de sidste par årtier. Disse fibre er kendt for deres exceptionelle styrke og stivhed og er også ekstremt lette. Kulfiberstrenge kombineres med forskellige harpikser for at skabe kompositmaterialer. Disse kompositmaterialer drager fordel af egenskaberne af både fiber og harpiks. Denne artikel giver en sammenligning af egenskaberne af kulfiber versus aluminium, sammen med nogle fordele og ulemper ved hvert materiale.

Kulfiber vs aluminium målt

Nedenfor er definitionerne af de forskellige egenskaber, der bruges til at sammenligne de to materialer:

Elasticitetsmodul = Et materiales "stivhed". Forholdet mellem spænding og belastning for et materiale. Hældningen af ​​spænding vs belastningskurven for et materiale i dets elastiske område.

Ultimativ trækstyrke = den maksimale belastning et materiale kan modstå, før det går i stykker.

Massefylde = materialets masse pr volumenhed.

Specifik stivhed = Elasticitetsmodul divideret med materialets densitet. Anvendes til at sammenligne materialer med uens massefylde.

Specifik trækstyrke = Trækstyrke divideret med materialets densitet.

Med disse oplysninger i tankerne sammenligner følgende diagram kulfiber og aluminium.

Bemærk: Mange faktorer kan påvirke disse tal. Disse er generaliseringer; ikke absolutte mål. For eksempel er forskellige kulfibermaterialer tilgængelige med højere stivhed eller styrke, ofte med en afvejning i reduktion af andre egenskaber.

Dette diagram viser, at kulfiber har en specifik trækstyrke på cirka 3,8 gange den for aluminium og en specifik stivhed på 1,71 gange den for aluminium.

Sammenligning af termiske egenskaber af kulfiber og aluminium

Yderligere to egenskaber, der viser forskellene mellem kulfiber og aluminium, er termisk udvidelse og termisk ledningsevne.

Termisk ekspansion beskriver, hvordan et materiales dimensioner ændres, når temperaturen ændres.

Aluminium har cirka seks gange den termiske udvidelse af kulfiber.

Fordele og ulemper

Ved design af avancerede materialer og systemer skal ingeniører bestemme, hvilke materialeegenskaber der er vigtigst for specifikke applikationer. Når høj styrke-til-vægt eller høj stivhed-til-vægt betyder noget, er kulfiber det oplagte valg. Med hensyn til strukturelt design, når øget vægt kan forkorte livscyklus eller føre til dårlig ydeevne, bør designere se til kulfiber som det bedre byggemateriale. Når sejhed er afgørende, kombineres kulfiber let med andre materialer for at opnå de nødvendige egenskaber.

Kulfibers lave termiske ekspansionsegenskaber er en væsentlig fordel, når man skal skabe produkter, der kræver en høj grad af præcision og dimensionsstabilitet under forhold, hvor temperaturerne svinger: optiske enheder, 3D-scannere, teleskoper mv.

Der er også et par ulemper ved at bruge kulfiber. Kulfiber giver ikke efter. Under belastning vil kulfiber bøjes, men vil ikke permanent tilpasse sig den nye form (elastik). Når den ultimative trækstyrke af kulfibermaterialet er overskredet, svigter kulfiber pludseligt. Ingeniører skal forstå denne adfærd og inkludere sikkerhedsfaktorer for at tage højde for det, når de designer produkter. Kulfiberdele er også væsentligt dyrere end aluminium på grund af de høje omkostninger ved at producere kulfiber og den store dygtighed og erfaring, der er involveret i at skabe kompositdele af høj kvalitet.