Ogljikova vlakna nadomeščajo aluminij v vse več različnih aplikacijah in to počnejo že zadnjih nekaj desetletij. Ta vlakna so znana po svoji izjemni trdnosti in togosti ter so tudi izjemno lahka. Prameni iz ogljikovih vlaken so kombinirani z različnimi smolami za ustvarjanje kompozitnih materialov. Ti kompozitni materiali izkoriščajo lastnosti vlaken in smole. Ta članek ponuja primerjavo lastnosti ogljikovih vlaken v primerjavi z aluminijem, skupaj z nekaterimi prednostmi in slabostmi vsakega materiala.
Izmerjeno razmerje med ogljikovimi vlakni in aluminijem
Spodaj so definicije različnih lastnosti, ki se uporabljajo za primerjavo obeh materialov:
Modul elastičnosti = "togost" materiala. Razmerje med napetostjo in deformacijo materiala. Naklon krivulje napetosti proti deformaciji za material v njegovem elastičnem območju.
Končna natezna trdnost = največja obremenitev, ki jo material lahko prenese, preden se zlomi.
Gostota = masa materiala na enoto prostornine.
Specifična togost = modul elastičnosti, deljen z gostoto materiala. Uporablja se za primerjavo materialov z različnimi gostotami.
Specifična natezna trdnost = natezna trdnost, deljena z gostoto materiala.
Ob upoštevanju teh informacij naslednja tabela primerja ogljikova vlakna in aluminij.
Opomba: na te številke lahko vpliva veliko dejavnikov. To so posplošitve; ne absolutne meritve. Na primer, na voljo so različni materiali iz ogljikovih vlaken z večjo togostjo ali trdnostjo, pogosto s kompromisom pri zmanjšanju drugih lastnosti.
| Merjenje | Ogljikova vlakna | Aluminij | Karbon/aluminij Primerjava |
| Modul elastičnosti (E) GPa | 70 | 68.9 | 100 % |
| Natezna trdnost (σ) MPa | 1035 | 450 | 230 % |
| Gostota (ρ) g/cm3 | 1.6 | 2.7 | 59 % |
| Specifična togost (E/ρ) | 43.8 | 25.6 | 171 % |
| Specifična natezna trdnost (σ /ρ) | 647 | 166 | 389 % |
Ta diagram kaže, da imajo ogljikova vlakna specifično natezno trdnost približno 3,8-krat večjo od aluminija in specifično togost 1,71-krat večjo od aluminija.
Primerjava toplotnih lastnosti ogljikovih vlaken in aluminija
Še dve lastnosti, ki kažeta razlike med ogljikovimi vlakni in aluminijem, sta toplotna razteznost in toplotna prevodnost.
Toplotna ekspanzija opisuje, kako se dimenzije materiala spreminjajo, ko se spreminjajo temperature.
| Merjenje | Ogljikova vlakna | Aluminij | Aluminij/ogljik Primerjava |
| Toplotno raztezanje | 2 in/in/°F | 13 in/in/°F | 6.5 |
Aluminij ima približno šestkrat večjo toplotno razteznost kot ogljikova vlakna.
Prednosti in slabosti
Pri načrtovanju naprednih materialov in sistemov morajo inženirji ugotoviti, katere lastnosti materialov so najpomembnejše za določene aplikacije. Ko je pomembna visoka trdnost glede na težo ali visoka togost glede na težo, so ogljikova vlakna očitna izbira. Kar zadeva strukturno zasnovo, ko bi lahko dodana teža skrajšala življenjske cikle ali povzročila slabo delovanje, bi morali oblikovalci gledati na ogljikova vlakna kot na boljši gradbeni material. Ko je žilavost bistvenega pomena, se ogljikova vlakna enostavno kombinirajo z drugimi materiali, da se pridobijo potrebne lastnosti.
Lastnosti nizkega toplotnega raztezanja ogljikovih vlaken so pomembna prednost pri ustvarjanju izdelkov, ki zahtevajo visoko stopnjo natančnosti in dimenzijsko stabilnost v pogojih, kjer temperature nihajo: optične naprave, 3D skenerji, teleskopi itd.
Uporaba ogljikovih vlaken ima tudi nekaj slabosti. Ogljikova vlakna ne popuščajo. Pod obremenitvijo se ogljikova vlakna upognejo, vendar se ne bodo trajno prilagodila novi obliki (elastična). Ko je skrajna natezna trdnost materiala iz ogljikovih vlaken presežena, ogljikova vlakna nenadoma odpovejo. Inženirji morajo razumeti to vedenje in vključiti varnostne dejavnike, da jih upoštevajo pri načrtovanju izdelkov. Deli iz ogljikovih vlaken so tudi bistveno dražji od aluminija zaradi visokih stroškov proizvodnje ogljikovih vlaken ter velikega znanja in izkušenj pri ustvarjanju visokokakovostnih kompozitnih delov.
Čas objave: 24. junij 2021