Karbonfiber vs aluminium

Karbonfiber erstatter aluminium i et økende utvalg av bruksområder og har gjort det de siste tiårene. Disse fibrene er kjent for sin eksepsjonelle styrke og stivhet og er også ekstremt lette. Karbonfibertråder kombineres med forskjellige harpikser for å lage komposittmaterialer. Disse komposittmaterialene drar fordel av egenskapene til både fiber og harpiks. Denne artikkelen gir en sammenligning av egenskapene til karbonfiber kontra aluminium, sammen med noen fordeler og ulemper med hvert materiale.

Målt karbonfiber vs aluminium

Nedenfor er definisjonene av de forskjellige egenskapene som brukes for å sammenligne de to materialene:

Elastisitetsmodul = "stivheten" til et materiale. Forholdet mellom spenning og tøyning for et materiale. Helningen til belastningen vs tøyningskurven for et materiale i dets elastiske område.

Ultimativ strekkfasthet = den maksimale påkjenningen et materiale tåler før brudd.

Tetthet = materialets masse per volumenhet.

Spesifikk stivhet = elastisitetsmodul delt på materialets tetthet. Brukes for å sammenligne materialer med ulik tetthet.

Spesifikk strekkfasthet = Strekkfasthet delt på materialets tetthet.

Med denne informasjonen i tankene, sammenligner følgende diagram karbonfiber og aluminium.

Merk: Mange faktorer kan påvirke disse tallene. Dette er generaliseringer; ikke absolutte mål. For eksempel er forskjellige karbonfibermaterialer tilgjengelige med høyere stivhet eller styrke, ofte med en avveining i reduksjon av andre egenskaper.

Dette diagrammet viser at karbonfiber har en spesifikk strekkstyrke på omtrent 3,8 ganger den for aluminium og en spesifikk stivhet på 1,71 ganger den for aluminium.

Sammenligning av termiske egenskaper til karbonfiber og aluminium

Ytterligere to egenskaper som viser forskjellene mellom karbonfiber og aluminium er termisk ekspansjon og termisk ledningsevne.

Termisk ekspansjon beskriver hvordan et materiales dimensjoner endres når temperaturen endres.

Aluminium har omtrent seks ganger den termiske utvidelsen av karbonfiber.

Fordeler og ulemper

Ved utforming av avanserte materialer og systemer må ingeniører bestemme hvilke materialegenskaper som er viktigst for spesifikke bruksområder. Når høy styrke-til-vekt eller høy stivhet-til-vekt betyr noe, er karbonfiber det opplagte valget. Når det gjelder strukturell design, bør designere se på karbonfiber som det bedre byggematerialet når ekstra vekt kan forkorte livssykluser eller føre til dårlig ytelse. Når seighet er avgjørende, kombineres karbonfiber lett med andre materialer for å oppnå de nødvendige egenskapene.

Karbonfibers lave termiske ekspansjonsegenskaper er en betydelig fordel når man lager produkter som krever høy grad av presisjon, og dimensjonsstabilitet under forhold der temperaturene svinger: optiske enheter, 3D-skannere, teleskoper, etc.

Det er også noen få ulemper ved å bruke karbonfiber. Karbonfiber gir seg ikke. Under belastning vil karbonfiber bøye seg, men vil ikke permanent tilpasse seg den nye formen (elastisk). Når den endelige strekkstyrken til karbonfibermaterialet er overskredet, svikter karbonfiber plutselig. Ingeniører må forstå denne oppførselen og inkludere sikkerhetsfaktorer for å ta hensyn til det når de designer produkter. Karbonfiberdeler er også betydelig dyrere enn aluminium på grunn av de høye kostnadene for å produsere karbonfiber og den store dyktigheten og erfaringen som er involvert i å lage komposittdeler av høy kvalitet.