Ugljična vlakna zamjenjuju aluminij u sve brojnijim primjenama i to čine posljednjih nekoliko desetljeća. Ova su vlakna poznata po svojoj iznimnoj čvrstoći i krutosti, a također su iznimno lagana. Niti ugljičnih vlakana kombiniraju se s raznim smolama za stvaranje kompozitnih materijala. Ovi kompozitni materijali iskorištavaju svojstva i vlakana i smole. Ovaj članak daje usporedbu svojstava karbonskih vlakana u odnosu na aluminij, zajedno s nekim prednostima i manama svakog materijala.
Mjereno ugljična vlakna u odnosu na aluminij
Ispod su definicije različitih svojstava koja se koriste za usporedbu dva materijala:
Modul elastičnosti = "krutost" materijala. Omjer naprezanja i deformacije za materijal. Nagib krivulje naprezanja i deformacije za materijal u njegovom elastičnom području.
Krajnja vlačna čvrstoća = maksimalno naprezanje koje materijal može izdržati prije loma.
Gustoća = masa materijala po jedinici volumena.
Specifična krutost = Modul elastičnosti podijeljen s gustoćom materijala. Koristi se za usporedbu materijala s različitim gustoćama.
Specifična vlačna čvrstoća = vlačna čvrstoća podijeljena s gustoćom materijala.
Imajući ove podatke na umu, sljedeća tablica uspoređuje karbonska vlakna i aluminij.
Napomena: mnogi čimbenici mogu utjecati na ove brojke. To su generalizacije; ne apsolutna mjerenja. Na primjer, dostupni su različiti materijali od karbonskih vlakana s većom krutošću ili čvrstoćom, često uz kompromis u smanjenju drugih svojstava.
| Mjerenje | Karbonska vlakna | Aluminij | Ugljik/aluminij Usporedba |
| Modul elastičnosti (E) GPa | 70 | 68.9 | 100% |
| Vlačna čvrstoća (σ) MPa | 1035 | 450 | 230% |
| Gustoća (ρ) g/cm3 | 1.6 | 2.7 | 59% |
| Specifična krutost (E/ρ) | 43.8 | 25.6 | 171% |
| Specifična vlačna čvrstoća (σ /ρ) | 647 | 166 | 389% |
Ovaj grafikon pokazuje da karbonska vlakna imaju specifičnu vlačnu čvrstoću od približno 3,8 puta veću od aluminija i specifičnu krutost od 1,71 puta veću od aluminija.
Usporedba toplinskih svojstava karbonskih vlakana i aluminija
Još dva svojstva koja pokazuju razliku između karbonskih vlakana i aluminija su toplinska ekspanzija i toplinska vodljivost.
Toplinsko širenje opisuje kako se dimenzije materijala mijenjaju kada se mijenja temperatura.
| Mjerenje | Karbonska vlakna | Aluminij | Aluminij/ugljik Usporedba |
| Toplinska ekspanzija | 2 in/in/°F | 13 in/in/°F | 6.5 |
Aluminij ima otprilike šest puta veću toplinsku ekspanziju od karbonskih vlakana.
Za i protiv
Prilikom projektiranja naprednih materijala i sustava, inženjeri moraju odrediti koja su svojstva materijala najvažnija za specifične primjene. Kada je važna visoka čvrstoća u odnosu na težinu ili velika krutost u odnosu na težinu, ugljična vlakna su očigledan izbor. Što se tiče konstrukcijskog dizajna, kada bi dodatna težina mogla skratiti životni ciklus ili dovesti do loših performansi, dizajneri bi trebali gledati na karbonska vlakna kao na bolji građevinski materijal. Kada je žilavost bitna, karbonska vlakna se lako kombiniraju s drugim materijalima kako bi se dobila potrebna svojstva.
Svojstva niske toplinske ekspanzije karbonskih vlakana značajna su prednost pri stvaranju proizvoda koji zahtijevaju visok stupanj preciznosti i dimenzionalne stabilnosti u uvjetima fluktuacija temperature: optički uređaji, 3D skeneri, teleskopi itd.
Postoji i nekoliko nedostataka korištenja karbonskih vlakana. Karbonska vlakna ne popuštaju. Pod opterećenjem, karbonska vlakna će se saviti, ali se neće trajno prilagoditi novom obliku (elastično). Nakon što se prekorači krajnja vlačna čvrstoća materijala od karbonskih vlakana, karbonska vlakna iznenada otkazuju. Inženjeri moraju razumjeti ovo ponašanje i uključiti sigurnosne čimbenike kako bi to uzeli u obzir prilikom dizajniranja proizvoda. Dijelovi od ugljičnih vlakana također su znatno skuplji od aluminija zbog visokih troškova proizvodnje od ugljičnih vlakana i velike vještine i iskustva uključenog u stvaranje visokokvalitetnih kompozitnih dijelova.
Vrijeme objave: 24. lipnja 2021