Hiilikuitu vs alumiini

Hiilikuitu korvaa alumiinia yhä useammissa sovelluksissa ja on tehnyt niin muutaman viime vuosikymmenen ajan. Nämä kuidut tunnetaan poikkeuksellisesta lujuudestaan ​​ja jäykkyydestään, ja ne ovat myös erittäin kevyitä. Hiilikuitunauhat yhdistetään erilaisiin hartseihin komposiittimateriaalien luomiseksi. Nämä komposiittimateriaalit hyödyntävät sekä kuidun että hartsin ominaisuuksia. Tämä artikkeli tarjoaa vertailun hiilikuidun ja alumiinin ominaisuuksista sekä kunkin materiaalin eduista ja haitoista.

Hiilikuitu vs alumiini mitattuna

Alla on määritelmät eri ominaisuuksista, joita käytetään kahden materiaalin vertailussa:

Elastisuusmoduuli = materiaalin "jäykkyys". Materiaalin jännityksen ja jännityksen suhde. Jännitys-venymäkäyrän kaltevuus materiaalille sen elastisella alueella.

Lopullinen vetolujuus = suurin jännitys, jonka materiaali voi kestää ennen rikkoutumista.

Tiheys = materiaalin massa tilavuusyksikköä kohti.

Ominaisjäykkyys = Kimmomoduuli jaettuna materiaalin tiheydellä. Käytetään erilaisten materiaalien vertailuun.

Ominaisvetolujuus = Vetolujuus jaettuna materiaalin tiheydellä.

Nämä tiedot huomioon ottaen seuraavassa taulukossa verrataan hiilikuitua ja alumiinia.

Huomautus: Monet tekijät voivat vaikuttaa näihin lukuihin. Nämä ovat yleistyksiä; ei absoluuttisia mittoja. Esimerkiksi erilaisia ​​hiilikuitumateriaaleja on saatavana korkeammalla jäykkyydellä tai lujuudella, usein kompromissina muiden ominaisuuksien heikkenemisessä.

Tämä kaavio osoittaa, että hiilikuidun ominaisvetolujuus on noin 3,8 kertaa alumiinin ominaisvetolujuus ja 1,71 kertaa alumiinin ominaisjäykkyys.

Hiilikuidun ja alumiinin lämpöominaisuuksien vertailu

Kaksi muuta ominaisuutta, jotka osoittavat erot hiilikuidun ja alumiinin välillä, ovat lämpölaajeneminen ja lämmönjohtavuus.

Lämpölaajeneminen kuvaa kuinka materiaalin mitat muuttuvat lämpötilan muuttuessa.

Alumiinilla on noin kuusi kertaa suurempi lämpölaajeneminen kuin hiilikuitu.

Plussat ja miinukset

Kehittyneitä materiaaleja ja järjestelmiä suunnitellessaan insinöörien on määritettävä, mitkä materiaalin ominaisuudet ovat tärkeimpiä tietyissä sovelluksissa. Kun suuri lujuus-paino tai korkea jäykkyys painoon on tärkeää, hiilikuitu on ilmeinen valinta. Rakennesuunnittelun kannalta, kun lisäpaino voi lyhentää elinikää tai johtaa huonoon suorituskykyyn, suunnittelijoiden tulisi katsoa hiilikuitua parempana rakennusmateriaalina. Kun sitkeys on välttämätöntä, hiilikuitua voidaan helposti yhdistää muihin materiaaleihin tarvittavien ominaisuuksien saamiseksi.

Hiilikuidun alhaiset lämpölaajenemisominaisuudet ovat merkittävä etu luotaessa tuotteita, jotka vaativat suurta tarkkuutta ja mittapysyvyyttä olosuhteissa, joissa lämpötila vaihtelee: optiset laitteet, 3D-skannerit, teleskoopit jne.

Hiilikuidun käytöllä on myös muutamia haittoja. Hiilikuitu ei anna periksi. Kuormituksen alaisena hiilikuitu taipuu, mutta ei mukaudu pysyvästi uuteen muotoon (elastinen). Kun hiilikuitumateriaalin lopullinen vetolujuus ylittyy, hiilikuitu epäonnistuu yhtäkkiä. Insinöörien on ymmärrettävä tämä käyttäytyminen ja otettava huomioon turvallisuustekijät tuotteiden suunnittelussa. Hiilikuituosat ovat myös huomattavasti alumiinia kalliimpia, koska hiilikuidun valmistuskustannukset ovat korkeat ja korkealaatuisten komposiittiosien luomiseen liittyy suuri taito ja kokemus.