Ανθρακονήματα εναντίον Αλουμινίου

Οι ίνες άνθρακα αντικαθιστούν το αλουμίνιο σε μια αυξανόμενη ποικιλία εφαρμογών και το κάνουν τις τελευταίες δεκαετίες. Αυτές οι ίνες είναι γνωστές για την εξαιρετική αντοχή και ακαμψία τους και είναι επίσης εξαιρετικά ελαφριές. Οι κλώνοι από ανθρακονήματα συνδυάζονται με διάφορες ρητίνες για τη δημιουργία σύνθετων υλικών. Αυτά τα σύνθετα υλικά εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες τόσο της ίνας όσο και της ρητίνης. Αυτό το άρθρο παρέχει μια σύγκριση των ιδιοτήτων των ινών άνθρακα έναντι του αλουμινίου, μαζί με ορισμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε υλικού.

Ανθρακονήματα έναντι αλουμινίου μετρημένα

Παρακάτω είναι οι ορισμοί των διαφορετικών ιδιοτήτων που χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση των δύο υλικών:

Modulus of elasticity = Η «ακαμψία» ενός υλικού. Η αναλογία τάσης προς καταπόνηση για ένα υλικό. Η κλίση της καμπύλης τάσης έναντι παραμόρφωσης για ένα υλικό στην ελαστική του περιοχή.

Τελική αντοχή εφελκυσμού = η μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν σπάσει.

Πυκνότητα = η μάζα του υλικού ανά μονάδα όγκου.

Ειδική ακαμψία = Μέτρο ελαστικότητας διαιρεμένο με την πυκνότητα του υλικού. Χρησιμοποιείται για τη σύγκριση υλικών με ανόμοιες πυκνότητες.

Ειδική αντοχή σε εφελκυσμό = Αντοχή σε εφελκυσμό διαιρούμενη με την πυκνότητα του υλικού.

Έχοντας αυτές τις πληροφορίες κατά νου, το παρακάτω διάγραμμα συγκρίνει τις ίνες άνθρακα και το αλουμίνιο.

Σημείωση: Πολλοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν αυτούς τους αριθμούς. Αυτά είναι γενικεύσεις. όχι απόλυτες μετρήσεις. Για παράδειγμα, διαφορετικά υλικά από ανθρακονήματα είναι διαθέσιμα με υψηλότερη ακαμψία ή αντοχή, συχνά με συμβιβασμό στη μείωση άλλων ιδιοτήτων.

Αυτό το διάγραμμα δείχνει ότι οι ίνες άνθρακα έχουν ειδική αντοχή εφελκυσμού περίπου 3,8 φορές μεγαλύτερη από αυτή του αλουμινίου και ειδική ακαμψία 1,71 φορές μεγαλύτερη από αυτή του αλουμινίου.

Σύγκριση θερμικών ιδιοτήτων ανθρακονημάτων και αλουμινίου

Δύο ακόμη ιδιότητες που δείχνουν τις διαφορές μεταξύ ανθρακονημάτων και αλουμινίου είναι η θερμική διαστολή και η θερμική αγωγιμότητα.

Η θερμική διαστολή περιγράφει πώς αλλάζουν οι διαστάσεις ενός υλικού όταν αλλάζουν οι θερμοκρασίες.

Το αλουμίνιο έχει περίπου έξι φορές μεγαλύτερη θερμική διαστολή από τις ίνες άνθρακα.

Τα υπέρ και τα κατά

Κατά το σχεδιασμό προηγμένων υλικών και συστημάτων, οι μηχανικοί πρέπει να καθορίσουν ποιες ιδιότητες υλικού είναι πιο σημαντικές για συγκεκριμένες εφαρμογές. Όταν έχει σημασία η υψηλή αντοχή σε βάρος ή υψηλή ακαμψία σε βάρος, οι ίνες άνθρακα είναι η προφανής επιλογή. Όσον αφορά τη δομική σχεδίαση, όταν το πρόσθετο βάρος θα μπορούσε να συντομεύσει τους κύκλους ζωής ή να οδηγήσει σε κακή απόδοση, οι σχεδιαστές θα πρέπει να κοιτάξουν τις ίνες άνθρακα ως το καλύτερο δομικό υλικό. Όταν η σκληρότητα είναι απαραίτητη, οι ίνες άνθρακα συνδυάζονται εύκολα με άλλα υλικά για να αποκτήσουν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά.

Οι ιδιότητες χαμηλής θερμικής διαστολής των ανθρακονημάτων αποτελούν σημαντικό πλεονέκτημα κατά τη δημιουργία προϊόντων που απαιτούν υψηλό βαθμό ακρίβειας και σταθερότητα διαστάσεων σε συνθήκες όπου οι θερμοκρασίες κυμαίνονται: οπτικές συσκευές, σαρωτές 3D, τηλεσκόπια κ.λπ.

Υπάρχουν επίσης μερικά μειονεκτήματα στη χρήση ανθρακονημάτων. Οι ίνες άνθρακα δεν αποδίδουν. Υπό φορτίο, οι ίνες άνθρακα θα λυγίσουν αλλά δεν θα συμμορφωθούν μόνιμα στο νέο σχήμα (ελαστικό). Μόλις ξεπεραστεί η τελική αντοχή εφελκυσμού του υλικού από ανθρακονήματα, οι ίνες άνθρακα αποτυγχάνουν ξαφνικά. Οι μηχανικοί πρέπει να κατανοήσουν αυτή τη συμπεριφορά και να συμπεριλάβουν παράγοντες ασφαλείας για να την λάβουν υπόψη κατά το σχεδιασμό προϊόντων. Τα εξαρτήματα από ανθρακονήματα είναι επίσης σημαντικά πιο ακριβά από το αλουμίνιο λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής ανθρακονημάτων και της μεγάλης δεξιότητας και εμπειρίας που συνεπάγεται η δημιουργία σύνθετων εξαρτημάτων υψηλής ποιότητας.