Szénszál vs alumínium

A szénszálas anyagok egyre több alkalmazásban váltják fel az alumíniumot, és ezt tette az elmúlt néhány évtizedben. Ezek a szálak kivételes szilárdságukról és merevségükről ismertek, valamint rendkívül könnyűek. A szénszálas szálakat különféle gyantákkal kombinálják kompozit anyagok létrehozásához. Ezek a kompozit anyagok mind a rost, mind a gyanta tulajdonságait kihasználják. Ez a cikk összehasonlítja a szénszál és az alumínium tulajdonságait, valamint az egyes anyagok előnyeit és hátrányait.

Szénszál vs alumínium mért

Az alábbiakban a két anyag összehasonlításához használt különböző tulajdonságok meghatározásai találhatók:

Rugalmassági modulus = Az anyag „merevsége”. Az anyag feszültségének és alakváltozásának aránya. A feszültség-nyúlás görbe meredeksége egy anyag rugalmas tartományában.

Végső szakítószilárdság = az a maximális feszültség, amelyet egy anyag elbír törés előtt.

Sűrűség = az anyag térfogategységenkénti tömege.

Fajlagos merevség = rugalmassági modulus osztva az anyag sűrűségével. Különböző sűrűségű anyagok összehasonlítására használják.

Fajlagos szakítószilárdság = A szakítószilárdság osztva az anyag sűrűségével.

Ezeket az információkat szem előtt tartva, a következő táblázat összehasonlítja a szénszálat és az alumíniumot.

Megjegyzés: Számos tényező befolyásolhatja ezeket a számokat. Ezek általánosítások; nem abszolút mérések. Például különféle szénszálas anyagok állnak rendelkezésre nagyobb merevséggel vagy szilárdsággal, gyakran más tulajdonságok csökkentésével.

Ez a diagram azt mutatja, hogy a szénszál fajlagos szakítószilárdsága körülbelül 3,8-szorosa az alumíniuménak, és fajlagos merevsége 1,71-szerese az alumíniuménak.

A szénszál és az alumínium termikus tulajdonságainak összehasonlítása

Két további tulajdonság, amely a szénszál és az alumínium közötti különbséget mutatja, a hőtágulás és a hővezető képesség.

A hőtágulás azt írja le, hogy az anyag méretei hogyan változnak a hőmérséklet változásával.

Az alumínium körülbelül hatszor nagyobb hőtágulást mutat, mint a szénszál.

Előnyök és hátrányok

A fejlett anyagok és rendszerek tervezésekor a mérnököknek meg kell határozniuk, hogy az adott alkalmazásokhoz mely anyagtulajdonságok a legfontosabbak. Ha a nagy szilárdság/tömeg arány vagy a nagy merevség/tömeg arány számít, a szénszál a kézenfekvő választás. Ami a szerkezeti tervezést illeti, amikor a megnövelt súly lerövidítheti az életciklusokat vagy gyenge teljesítményhez vezethet, a tervezőknek a szénszálat kell a jobb építőanyagnak tekinteniük. Ha a szívósság elengedhetetlen, a szénszálas anyagok könnyen kombinálhatók más anyagokkal a szükséges jellemzők elérése érdekében.

A szénszál alacsony hőtágulási tulajdonságai jelentős előnyt jelentenek a nagyfokú precizitást és méretstabilitást igénylő termékek elkészítésekor olyan körülmények között, ahol a hőmérséklet ingadozó: optikai eszközök, 3D szkennerek, teleszkópok stb.

A szénszál használatának van néhány hátránya is. A szénszál nem enged ki. Terhelés alatt a szénszál meghajlik, de nem idomul tartósan az új alakhoz (rugalmas). Ha a szénszálas anyag végső szakítószilárdságát túllépik, a szénszál hirtelen meghibásodik. A mérnököknek meg kell érteniük ezt a viselkedést, és figyelembe kell venniük a biztonsági tényezőket a termékek tervezése során. A szénszálas alkatrészek lényegesen drágábbak is, mint az alumínium, mivel a szénszál előállítása magas költséggel jár, valamint a kiváló minőségű kompozit alkatrészek előállításához szükséges nagy szakértelem és tapasztalat miatt.