Углеродное волокно заменяет алюминий во все большем количестве областей применения, и это происходит в течение последних нескольких десятилетий. Эти волокна известны своей исключительной прочностью и жесткостью, а также чрезвычайно легкими. Пряди углеродного волокна комбинируются с различными смолами для создания композитных материалов. Эти композиционные материалы сочетают в себе свойства как волокна, так и смолы. В этой статье представлено сравнение свойств углеродного волокна и алюминия, а также некоторые плюсы и минусы каждого материала.
Углеродное волокно по сравнению с алюминием (измерение)
Ниже приведены определения различных свойств, используемых для сравнения двух материалов:
Модуль упругости = «жесткость» материала. Отношение напряжения к деформации материала. Наклон кривой зависимости напряжения от деформации для материала в его упругой области.
Предел прочности на разрыв = максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед разрушением.
Плотность = масса материала на единицу объема.
Удельная жесткость = модуль упругости, разделенный на плотность материала. Используется для сравнения материалов с разной плотностью.
Удельная прочность на разрыв = прочность на разрыв, деленная на плотность материала.
Учитывая эту информацию, в следующей таблице сравниваются углеродное волокно и алюминий.
Примечание. На эти цифры могут повлиять многие факторы. Это обобщения; не абсолютные измерения. Например, доступны различные материалы из углеродного волокна с более высокой жесткостью или прочностью, часто с компромиссом в снижении других свойств.
| Измерение | Углеродное волокно | Алюминий | Карбон/Алюминий Сравнение |
| Модуль упругости (Е) ГПа | 70 | 68,9 | 100% |
| Предел прочности (σ) МПа | 1035 | 450 | 230% |
| Плотность (ρ), г/см3 | 1,6 | 2,7 | 59% |
| Удельная жесткость (E/ρ) | 43,8 | 25,6 | 171% |
| Удельная прочность на разрыв (σ/ρ) | 647 | 166 | 389% |
Эта диаграмма показывает, что углеродное волокно имеет удельную прочность на разрыв примерно в 3,8 раза больше, чем у алюминия, и удельную жесткость в 1,71 раза больше, чем у алюминия.
Сравнение термических свойств углеродного волокна и алюминия
Еще два свойства, которые показывают различия между углеродным волокном и алюминием, — это тепловое расширение и теплопроводность.
Тепловое расширение описывает, как изменяются размеры материала при изменении температуры.
| Измерение | Углеродное волокно | Алюминий | Алюминий/Углерод Сравнение |
| Тепловое расширение | 2 дюйма/дюйма/°F | 13 дюймов/дюйм/°F | 6,5 |
Алюминий имеет тепловое расширение примерно в шесть раз больше, чем углеродное волокно.
Плюсы и минусы
При разработке современных материалов и систем инженеры должны определить, какие свойства материала наиболее важны для конкретных применений. Когда важно соотношение прочности и веса или жесткости к весу, очевидным выбором является углеродное волокно. Что касается структурного проектирования, когда дополнительный вес может сократить жизненный цикл или привести к снижению производительности, дизайнерам следует рассматривать углеродное волокно как лучший строительный материал. Когда важна прочность, углеродное волокно легко комбинируется с другими материалами для получения необходимых характеристик.
Низкие свойства углеродного волокна при тепловом расширении являются существенным преимуществом при создании изделий, требующих высокой степени точности и стабильности размеров в условиях колебаний температур: оптических устройств, 3D-сканеров, телескопов и т. д.
Есть также несколько недостатков использования углеродного волокна. Карбоновое волокно не поддается. Под нагрузкой углеродное волокно сгибается, но не принимает новую форму (эластично). Как только предел прочности углеродного волокна превышен, углеродное волокно внезапно выходит из строя. Инженеры должны понимать это поведение и учитывать факторы безопасности при проектировании продуктов. Детали из углеродного волокна также значительно дороже, чем из алюминия, из-за высокой стоимости производства углеродного волокна, а также больших навыков и опыта, необходимых для создания высококачественных композитных деталей.
Время публикации: 24 июня 2021 г.