فیبر کربن در مقابل آلومینیوم

فیبر کربن در کاربردهای متنوعی جایگزین آلومینیوم می شود و در چند دهه اخیر این کار را انجام داده است. این الیاف به دلیل استحکام و استحکام استثنایی خود شناخته می شوند و همچنین بسیار سبک وزن هستند. رشته های فیبر کربن با رزین های مختلف ترکیب می شوند تا مواد کامپوزیتی ایجاد کنند. این مواد کامپوزیتی از خواص فیبر و رزین بهره می برند. این مقاله مقایسه ای از خواص فیبر کربن در مقابل آلومینیوم، همراه با برخی مزایا و معایب هر ماده ارائه می دهد.

فیبر کربن در مقابل آلومینیوم اندازه گیری شده است

در زیر تعاریف خواص مختلف مورد استفاده برای مقایسه این دو ماده آورده شده است:

مدول الاستیسیته = "سفتی" یک ماده. نسبت تنش به کرنش برای یک ماده. شیب منحنی تنش در مقابل کرنش برای یک ماده در ناحیه الاستیک آن.

استحکام کششی نهایی = حداکثر تنشی که یک ماده قبل از شکستن می تواند تحمل کند.

چگالی = جرم ماده در واحد حجم.

سفتی خاص = مدول الاستیسیته تقسیم بر چگالی ماده. برای مقایسه مواد با چگالی متفاوت استفاده می شود.

استحکام کششی خاص = استحکام کششی تقسیم بر چگالی ماده.

با در نظر گرفتن این اطلاعات، نمودار زیر فیبر کربن و آلومینیوم را با هم مقایسه می کند.

توجه: عوامل زیادی می توانند بر این اعداد تأثیر بگذارند. اینها کلی گویی هستند. اندازه گیری مطلق نیست به عنوان مثال، مواد فیبر کربنی مختلف با سفتی یا استحکام بالاتر، اغلب با کاهش خواص دیگر، در دسترس هستند.

این نمودار نشان می دهد که فیبر کربن دارای استحکام کششی ویژه تقریباً 3.8 برابر آلومینیوم و سفتی خاص 1.71 برابر آلومینیوم است.

مقایسه خواص حرارتی فیبر کربن و آلومینیوم

دو ویژگی دیگر که تفاوت بین فیبر کربن و آلومینیوم را نشان می دهد، انبساط حرارتی و هدایت حرارتی است.

انبساط حرارتی توضیح می دهد که چگونه ابعاد یک ماده با تغییر دما تغییر می کند.

انبساط حرارتی آلومینیوم تقریباً شش برابر فیبر کربن است.

مزایا و معایب

هنگام طراحی مواد و سیستم های پیشرفته، مهندسان باید تعیین کنند که کدام خواص مواد برای کاربردهای خاص مهم است. هنگامی که استحکام نسبت به وزن یا سختی بالا به وزن اهمیت دارد، فیبر کربن انتخاب واضحی است. از نظر طراحی ساختاری، زمانی که وزن اضافه می تواند چرخه عمر را کوتاه کند یا منجر به عملکرد ضعیف شود، طراحان باید به فیبر کربن به عنوان مصالح ساختمانی بهتر توجه کنند. هنگامی که چقرمگی ضروری است، فیبر کربن به راحتی با مواد دیگر ترکیب می شود تا ویژگی های لازم را به دست آورد.

خواص انبساط حرارتی کم فیبر کربن یک مزیت قابل توجه در هنگام ایجاد محصولاتی است که به دقت بالایی نیاز دارند و پایداری ابعادی در شرایطی که دما در آن نوسان دارد: دستگاه‌های نوری، اسکنرهای سه بعدی، تلسکوپ‌ها و غیره.

همچنین استفاده از فیبر کربن دارای معایبی است. فیبر کربن تولید نمی کند. تحت بار، فیبر کربن خم می شود اما به طور دائم با شکل جدید (الاستیک) مطابقت نخواهد داشت. هنگامی که استحکام کششی نهایی مواد فیبر کربنی بیش از حد شود، فیبر کربن به طور ناگهانی از بین می رود. مهندسان باید این رفتار را درک کنند و فاکتورهای ایمنی را در هنگام طراحی محصولات لحاظ کنند. قطعات فیبر کربن نیز به دلیل هزینه بالای تولید فیبر کربن و مهارت و تجربه زیاد در ساخت قطعات کامپوزیتی با کیفیت بالا، به طور قابل توجهی گرانتر از آلومینیوم هستند.