Süsinikkiud vs alumiinium

Süsinikkiud asendab alumiiniumi üha erinevates rakendustes ja on seda teinud viimastel aastakümnetel. Need kiud on tuntud oma erakordse tugevuse ja jäikuse poolest ning on ka äärmiselt kerged. Komposiitmaterjalide loomiseks kombineeritakse süsinikkiust kiud erinevate vaikudega. Need komposiitmaterjalid kasutavad ära nii kiu kui ka vaigu omadusi. Selles artiklis võrreldakse süsinikkiu ja alumiiniumi omadusi ning iga materjali plusse ja miinuseid.

Mõõdetud süsinikkiud vs alumiinium

Allpool on toodud kahe materjali võrdlemiseks kasutatud erinevate omaduste määratlused.

Elastsusmoodul = materjali "jäikus". Materjali pinge ja deformatsiooni suhe. Pinge ja deformatsiooni kõvera kalle materjali elastses piirkonnas.

Ülim tõmbetugevus = maksimaalne pinge, mida materjal võib enne purunemist taluda.

Tihedus = materjali mass mahuühiku kohta.

Erijäikus = elastsusmoodul jagatud materjali tihedusega. Kasutatakse erineva tihedusega materjalide võrdlemiseks.

Eritõmbetugevus = tõmbetugevus jagatud materjali tihedusega.

Seda teavet silmas pidades võrreldakse järgmises tabelis süsinikkiudu ja alumiiniumi.

Märkus. Neid numbreid võivad mõjutada paljud tegurid. Need on üldistused; mitte absoluutsed mõõdud. Näiteks on saadaval erinevad süsinikkiust materjalid, millel on suurem jäikus või tugevus, sageli muude omaduste vähendamisega.

See diagramm näitab, et süsinikkiu eritõmbetugevus on ligikaudu 3,8 korda suurem kui alumiiniumil ja erijäikus 1,71 korda suurem kui alumiiniumil.

Süsinikkiu ja alumiiniumi termiliste omaduste võrdlemine

Veel kaks omadust, mis näitavad süsinikkiu ja alumiiniumi erinevusi, on soojuspaisumine ja soojusjuhtivus.

Soojuspaisumine kirjeldab, kuidas materjali mõõtmed temperatuuri muutumisel muutuvad.

Alumiiniumi soojuspaisumine on ligikaudu kuus korda suurem kui süsinikkiust.

Plussid ja miinused

Täiustatud materjalide ja süsteemide kavandamisel peavad insenerid kindlaks määrama, millised materjali omadused on konkreetsete rakenduste jaoks kõige olulisemad. Kui oluline on suur tugevus-kaal või jäikus-kaal, on süsinikkiud ilmselge valik. Konstruktsiooniprojekti osas, kui lisandunud kaal võib lühendada elutsükleid või viia halva jõudluseni, peaksid disainerid nägema paremat ehitusmaterjalina süsinikkiudu. Kui sitkus on oluline, on süsinikkiud vajalike omaduste saamiseks hõlpsasti kombineeritav teiste materjalidega.

Süsinikkiu vähese soojuspaisumise omadused on oluliseks eeliseks toodete loomisel, mis nõuavad suurt täpsust ja mõõtmete stabiilsust temperatuurikõikumiste tingimustes: optilised seadmed, 3D-skannerid, teleskoobid jne.

Süsinikkiu kasutamisel on ka mõned puudused. Süsinikkiud ei anna järele. Koormuse all süsinikkiud paindub, kuid ei vasta püsivalt uuele kujule (elastne). Kui süsinikkiudmaterjali lõplik tõmbetugevus on ületatud, siis süsinikkiud ebaõnnestub ootamatult. Insenerid peavad seda käitumist mõistma ja lisama ohutustegurid, et seda toodete kavandamisel arvesse võtta. Süsinikkiust osad on ka oluliselt kallimad kui alumiinium, kuna süsinikkiu tootmise hind on kõrge ning kvaliteetsete komposiitdetailide loomisega kaasnevad suured oskused ja kogemused.