Uhlíkové vlákno nahrádza hliník v čoraz väčšom množstve aplikácií a robí tak už niekoľko desaťročí. Tieto vlákna sú známe svojou výnimočnou pevnosťou a tuhosťou a sú tiež extrémne ľahké. Pramene uhlíkových vlákien sa kombinujú s rôznymi živicami na vytvorenie kompozitných materiálov. Tieto kompozitné materiály využívajú vlastnosti vlákna aj živice. Tento článok poskytuje porovnanie vlastností uhlíkových vlákien oproti hliníku spolu s niektorými výhodami a nevýhodami každého materiálu.
Merané uhlíkové vlákna vs hliník
Nižšie sú uvedené definície rôznych vlastností používaných na porovnanie týchto dvoch materiálov:
Modul pružnosti = „tuhosť“ materiálu. Pomer napätia a napätia pre materiál. Sklon krivky napätia vs. deformácia pre materiál v jeho elastickej oblasti.
Konečná pevnosť v ťahu = maximálne napätie, ktoré materiál dokáže vydržať pred zlomením.
Hustota = hmotnosť materiálu na jednotku objemu.
Špecifická tuhosť = modul pružnosti delený hustotou materiálu. Používa sa na porovnávanie materiálov s rôznou hustotou.
Špecifická pevnosť v ťahu = pevnosť v ťahu delená hustotou materiálu.
S ohľadom na tieto informácie nasledujúci graf porovnáva uhlíkové vlákna a hliník.
Poznámka: Tieto čísla môže ovplyvniť veľa faktorov. Toto sú zovšeobecnenia; nie absolútne merania. Napríklad sú k dispozícii rôzne materiály z uhlíkových vlákien s vyššou tuhosťou alebo pevnosťou, často s kompromisom v znížení iných vlastností.
| Meranie | Uhlíkové vlákno | hliník | Karbón/hliník Porovnanie |
| Modul pružnosti (E) GPa | 70 | 68,9 | 100 % |
| Pevnosť v ťahu (σ) MPa | 1035 | 450 | 230 % |
| Hustota (ρ) g/cm3 | 1.6 | 2.7 | 59 % |
| Špecifická tuhosť (E/ρ) | 43.8 | 25.6 | 171 % |
| Špecifická pevnosť v ťahu (σ /ρ) | 647 | 166 | 389 % |
Tento graf ukazuje, že uhlíkové vlákna majú špecifickú pevnosť v ťahu približne 3,8-krát väčšiu ako hliník a špecifickú tuhosť 1,71-krát väčšiu ako hliník.
Porovnanie tepelných vlastností uhlíkových vlákien a hliníka
Dve ďalšie vlastnosti, ktoré ukazujú rozdiely medzi uhlíkovými vláknami a hliníkom, sú tepelná rozťažnosť a tepelná vodivosť.
Tepelná rozťažnosť popisuje, ako sa menia rozmery materiálu pri zmene teplôt.
| Meranie | Uhlíkové vlákno | hliník | Hliník/karbón Porovnanie |
| Tepelná rozťažnosť | 2 in/in/°F | 13 palcov/palec/°F | 6.5 |
Hliník má približne šesťnásobnú tepelnú rozťažnosť ako uhlíkové vlákna.
Výhody a nevýhody
Pri navrhovaní pokročilých materiálov a systémov musia inžinieri určiť, ktoré vlastnosti materiálov sú najdôležitejšie pre konkrétne aplikácie. Keď záleží na vysokej pevnosti v pomere k hmotnosti alebo vysokej tuhosti v pomere k hmotnosti, uhlíkové vlákna sú jasnou voľbou. Pokiaľ ide o konštrukčný dizajn, keď by pridaná hmotnosť mohla skrátiť životné cykly alebo viesť k slabému výkonu, dizajnéri by sa mali zamerať na uhlíkové vlákna ako na lepší stavebný materiál. Ak je húževnatosť nevyhnutná, uhlíkové vlákno sa ľahko kombinuje s inými materiálmi, aby sa získali potrebné vlastnosti.
Nízka tepelná rozťažnosť uhlíkových vlákien je významnou výhodou pri výrobe produktov, ktoré vyžadujú vysoký stupeň presnosti a rozmerovej stability v podmienkach kolísania teplôt: optické zariadenia, 3D skenery, teleskopy atď.
Použitie uhlíkových vlákien má tiež niekoľko nevýhod. Uhlíkové vlákno nedáva. Pri zaťažení sa uhlíkové vlákna ohýbajú, ale nebudú sa trvalo prispôsobovať novému tvaru (elastické). Akonáhle je prekročená konečná pevnosť v ťahu materiálu z uhlíkových vlákien, uhlíkové vlákno náhle zlyhá. Inžinieri musia pochopiť toto správanie a zahrnúť bezpečnostné faktory, ktoré ho zohľadnia pri navrhovaní produktov. Časti z uhlíkových vlákien sú tiež výrazne drahšie ako hliníkové kvôli vysokým nákladom na výrobu uhlíkových vlákien a veľkým zručnostiam a skúsenostiam spojeným s vytváraním vysokokvalitných kompozitných dielov.
Čas odoslania: 24. júna 2021