Kolfiber vs aluminium

Kolfiber ersätter aluminium i allt fler applikationer och har gjort det under de senaste decennierna. Dessa fibrer är kända för sin exceptionella styrka och styvhet och är också extremt lätta. Kolfibersträngar kombineras med olika hartser för att skapa kompositmaterial. Dessa kompositmaterial drar fördel av egenskaperna hos både fiber och harts. Den här artikeln ger en jämförelse av egenskaperna hos kolfiber kontra aluminium, tillsammans med några för- och nackdelar med varje material.

Kolfiber vs aluminium mätt

Nedan är definitionerna av de olika egenskaper som används för att jämföra de två materialen:

Elasticitetsmodul = "styvheten" hos ett material. Förhållandet mellan spänning och töjning för ett material. Lutningen för spänningen vs töjningskurvan för ett material i dess elastiska område.

Slutlig draghållfasthet = den maximala påkänning ett material tål innan det går sönder.

Densitet = materialets massa per volymenhet.

Specifik styvhet = elasticitetsmodul dividerad med materialets densitet. Används för att jämföra material med olika densiteter.

Specifik draghållfasthet = Draghållfasthet dividerat med materialets densitet.

Med denna information i åtanke jämför följande diagram kolfiber och aluminium.

Obs: Många faktorer kan påverka dessa siffror. Dessa är generaliseringar; inte absoluta mått. Till exempel finns olika kolfibermaterial tillgängliga med högre styvhet eller styrka, ofta med en avvägning i minskning av andra egenskaper.

Detta diagram visar att kolfiber har en specifik draghållfasthet på cirka 3,8 gånger den för aluminium och en specifik styvhet på 1,71 gånger den för aluminium.

Jämför termiska egenskaper hos kolfiber och aluminium

Ytterligare två egenskaper som visar skillnaderna mellan kolfiber och aluminium är värmeutvidgning och värmeledningsförmåga.

Termisk expansion beskriver hur ett materials dimensioner förändras när temperaturen ändras.

Aluminium har ungefär sex gånger den termiska expansionen av kolfiber.

För- och nackdelar

Vid design av avancerade material och system måste ingenjörer avgöra vilka materialegenskaper som är viktigast för specifika tillämpningar. När hög styrka-till-vikt eller hög styvhet-till-vikt spelar roll, är kolfiber det självklara valet. När det gäller strukturell design, när ökad vikt kan förkorta livscyklerna eller leda till dålig prestanda, bör designers se till kolfiber som det bättre byggmaterialet. När seghet är avgörande, kombineras kolfiber lätt med andra material för att erhålla de nödvändiga egenskaperna.

Kolfiberns låga termiska expansionsegenskaper är en betydande fördel när man skapar produkter som kräver hög precision och dimensionsstabilitet under förhållanden där temperaturerna varierar: optiska enheter, 3D-skannrar, teleskop, etc.

Det finns också några nackdelar med att använda kolfiber. Kolfiber ger inte efter. Under belastning kommer kolfiber att böjas men kommer inte permanent att överensstämma med den nya formen (elastisk). När den slutliga draghållfastheten för kolfibermaterialet har överskridits misslyckas kolfibern plötsligt. Ingenjörer måste förstå detta beteende och inkludera säkerhetsfaktorer för att ta hänsyn till det när de designar produkter. Kolfiberdelar är också betydligt dyrare än aluminium på grund av den höga kostnaden för att producera kolfiber och den stora skicklighet och erfarenhet som är involverad i att skapa högkvalitativa kompositdelar.