Koolstofvezel versus aluminium

Koolstofvezel vervangt aluminium in steeds meer toepassingen en doet dit al tientallen jaren. Deze vezels staan ​​bekend om hun uitzonderlijke sterkte en stijfheid en zijn bovendien extreem licht van gewicht. Koolstofvezelstrengen worden gecombineerd met verschillende harsen om composietmaterialen te creëren. Deze composietmaterialen profiteren van de eigenschappen van zowel vezels als hars. Dit artikel geeft een vergelijking van de eigenschappen van koolstofvezel versus aluminium, samen met enkele voor- en nadelen van elk materiaal.

Koolstofvezel versus aluminium gemeten

Hieronder staan ​​de definities van de verschillende eigenschappen die worden gebruikt om de twee materialen te vergelijken:

Elasticiteitsmodulus = De “stijfheid” van een materiaal. De verhouding tussen spanning en rek voor een materiaal. De helling van de spanning versus rek-curve voor een materiaal in zijn elastische gebied.

Ultieme treksterkte = de maximale spanning die een materiaal kan weerstaan ​​voordat het breekt.

Dichtheid = de massa van het materiaal per volume-eenheid.

Specifieke stijfheid = elasticiteitsmodulus gedeeld door de dichtheid van het materiaal. Wordt gebruikt voor het vergelijken van materialen met verschillende dichtheden.

Specifieke treksterkte = Treksterkte gedeeld door de dichtheid van het materiaal.

Met deze informatie in gedachten vergelijkt de volgende grafiek koolstofvezel en aluminium.

Opmerking: veel factoren kunnen deze cijfers beïnvloeden. Dit zijn generalisaties; geen absolute metingen. Er zijn bijvoorbeeld verschillende koolstofvezelmaterialen verkrijgbaar met een hogere stijfheid of sterkte, vaak met een compromis in de vermindering van andere eigenschappen.

Uit deze grafiek blijkt dat koolstofvezel een specifieke treksterkte heeft van ongeveer 3,8 keer die van aluminium en een specifieke stijfheid van 1,71 keer die van aluminium.

Vergelijking van thermische eigenschappen van koolstofvezel en aluminium

Nog twee eigenschappen die de verschillen tussen koolstofvezel en aluminium laten zien, zijn thermische uitzetting en thermische geleidbaarheid.

Thermische uitzetting beschrijft hoe de afmetingen van een materiaal veranderen als de temperatuur verandert.

Aluminium heeft ongeveer zes keer de thermische uitzetting van koolstofvezel.

Voors en tegens

Bij het ontwerpen van geavanceerde materialen en systemen moeten ingenieurs bepalen welke materiaaleigenschappen het belangrijkst zijn voor specifieke toepassingen. Wanneer een hoge sterkte/gewicht of hoge stijfheid/gewicht van belang is, is koolstofvezel de voor de hand liggende keuze. In termen van structureel ontwerp, wanneer extra gewicht de levenscycli zou kunnen verkorten of tot slechte prestaties zou kunnen leiden, zouden ontwerpers koolstofvezel als het betere bouwmateriaal moeten beschouwen. Wanneer taaiheid essentieel is, kan koolstofvezel gemakkelijk worden gecombineerd met andere materialen om de noodzakelijke eigenschappen te verkrijgen.

De lage thermische uitzettingseigenschappen van koolstofvezel zijn een aanzienlijk voordeel bij het maken van producten die een hoge mate van precisie en maatvastheid vereisen in omstandigheden waarin temperaturen fluctueren: optische apparaten, 3D-scanners, telescopen, enz.

Er zijn ook enkele nadelen aan het gebruik van koolstofvezel. Koolstofvezel geeft niet mee. Onder belasting zal koolstofvezel buigen, maar zich niet permanent aanpassen aan de nieuwe vorm (elastisch). Zodra de ultieme treksterkte van het koolstofvezelmateriaal wordt overschreden, bezwijkt de koolstofvezel plotseling. Ingenieurs moeten dit gedrag begrijpen en bij het ontwerpen van producten rekening houden met veiligheidsfactoren. Onderdelen van koolstofvezel zijn ook aanzienlijk duurder dan aluminium vanwege de hoge productiekosten van koolstofvezel en de grote vaardigheid en ervaring die betrokken is bij het maken van hoogwaardige composietonderdelen.