Włókno węglowe kontra aluminium

Włókno węglowe zastępuje aluminium w coraz większej liczbie zastosowań i robi to od kilku ostatnich dziesięcioleci. Włókna te są znane ze swojej wyjątkowej wytrzymałości i sztywności, a także są niezwykle lekkie. Pasma włókien węglowych łączy się z różnymi żywicami, tworząc materiały kompozytowe. Te materiały kompozytowe wykorzystują właściwości zarówno włókna, jak i żywicy. W tym artykule porównano właściwości włókna węglowego i aluminium, a także przedstawiono niektóre zalety i wady każdego materiału.

Zmierzono włókno węglowe i aluminium

Poniżej znajdują się definicje różnych właściwości użyte do porównania dwóch materiałów:

Moduł sprężystości = „sztywność” materiału. Stosunek naprężenia do odkształcenia materiału. Nachylenie krzywej naprężenia w funkcji odkształcenia dla materiału w jego obszarze sprężystym.

Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie = maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać przed pęknięciem.

Gęstość = masa materiału na jednostkę objętości.

Sztywność właściwa = moduł sprężystości podzielony przez gęstość materiału. Służy do porównywania materiałów o różnych gęstościach.

Specyficzna wytrzymałość na rozciąganie = wytrzymałość na rozciąganie podzielona przez gęstość materiału.

Mając te informacje na uwadze, poniższa tabela porównuje włókno węglowe i aluminium.

Uwaga: na te liczby może wpływać wiele czynników. To są uogólnienia; nie pomiary absolutne. Na przykład dostępne są różne materiały z włókna węglowego o wyższej sztywności lub wytrzymałości, często za kompromis w postaci zmniejszenia innych właściwości.

Wykres ten pokazuje, że włókno węglowe ma właściwą wytrzymałość na rozciąganie około 3,8 razy większą niż aluminium i właściwą sztywność 1,71 razy większą niż aluminium.

Porównanie właściwości termicznych włókna węglowego i aluminium

Dwie kolejne właściwości, które pokazują różnice między włóknem węglowym a aluminium, to rozszerzalność cieplna i przewodność cieplna.

Rozszerzalność cieplna opisuje, jak zmieniają się wymiary materiału pod wpływem zmiany temperatury.

Aluminium ma około sześciokrotnie większą rozszerzalność cieplną niż włókno węglowe.

Plusy i minusy

Projektując zaawansowane materiały i systemy, inżynierowie muszą określić, które właściwości materiałów są najważniejsze dla konkretnych zastosowań. Gdy liczy się wysoka wytrzymałość w stosunku do masy lub wysoka sztywność w stosunku do masy, oczywistym wyborem jest włókno węglowe. Jeśli chodzi o projekt konstrukcyjny, gdy dodatkowa waga może skrócić cykl życia lub prowadzić do słabej wydajności, projektanci powinni rozważyć włókno węglowe jako lepszy materiał budowlany. Gdy istotna jest wytrzymałość, włókno węglowe można łatwo połączyć z innymi materiałami, aby uzyskać niezbędne właściwości.

Niska rozszerzalność cieplna włókna węglowego jest znaczącą zaletą przy tworzeniu produktów wymagających dużej precyzji i stabilności wymiarowej w warunkach wahań temperatur: urządzenia optyczne, skanery 3D, teleskopy itp.

Stosowanie włókna węglowego ma również kilka wad. Włókno węglowe nie ugina się. Pod obciążeniem włókno węglowe ugnie się, ale nie dostosuje się trwale do nowego kształtu (elastycznego). Po przekroczeniu ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie materiału z włókna węglowego, włókno węglowe nagle przestaje działać. Inżynierowie muszą zrozumieć to zachowanie i uwzględnić czynniki bezpieczeństwa, aby je uwzględnić podczas projektowania produktów. Części z włókna węglowego są również znacznie droższe od aluminium ze względu na wysoki koszt produkcji włókna węglowego oraz duże umiejętności i doświadczenie związane z tworzeniem wysokiej jakości części kompozytowych.