คาร์บอนไฟเบอร์กับอลูมิเนียม

คาร์บอนไฟเบอร์กำลังเข้ามาแทนที่อลูมิเนียมในการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น และได้ทำเช่นนั้นในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา เส้นใยเหล่านี้ขึ้นชื่อในด้านความแข็งแกร่งและความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ และยังมีน้ำหนักเบามากอีกด้วย เส้นคาร์บอนไฟเบอร์ผสมกับเรซินหลายชนิดเพื่อสร้างวัสดุคอมโพสิต วัสดุคอมโพสิตเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของทั้งไฟเบอร์และเรซิน บทความนี้นำเสนอการเปรียบเทียบคุณสมบัติของคาร์บอนไฟเบอร์กับอะลูมิเนียม พร้อมด้วยข้อดีและข้อเสียของวัสดุแต่ละชนิด

วัดคาร์บอนไฟเบอร์กับอลูมิเนียม

ด้านล่างนี้คือคำจำกัดความของคุณสมบัติต่างๆ ที่ใช้ในการเปรียบเทียบวัสดุทั้งสอง:

โมดูลัสความยืดหยุ่น = “ความแข็ง” ของวัสดุ อัตราส่วนของความเค้นต่อความเครียดของวัสดุ ความชันของเส้นโค้งความเค้นและความเครียดของวัสดุในบริเวณยืดหยุ่น

ความต้านทานแรงดึงสูงสุด = ความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนที่จะแตกหัก

ความหนาแน่น = มวลของวัสดุต่อหน่วยปริมาตร

ความแข็งจำเพาะ = โมดูลัสความยืดหยุ่นหารด้วยความหนาแน่นของวัสดุ ใช้สำหรับเปรียบเทียบวัสดุที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน

ความต้านทานแรงดึงจำเพาะ = ความต้านทานแรงดึงหารด้วยความหนาแน่นของวัสดุ

ด้วยข้อมูลนี้ แผนภูมิต่อไปนี้จะเปรียบเทียบคาร์บอนไฟเบอร์และอะลูมิเนียม

หมายเหตุ: ปัจจัยหลายประการอาจส่งผลต่อตัวเลขเหล่านี้ สิ่งเหล่านี้เป็นลักษณะทั่วไป ไม่ใช่การวัดแบบสัมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ต่างๆ มีความแข็งหรือความแข็งแรงสูงกว่า ซึ่งมักจะต้องแลกกับคุณสมบัติอื่นๆ ที่ลดลง

แผนภูมินี้แสดงให้เห็นว่าคาร์บอนไฟเบอร์มีความต้านทานแรงดึงจำเพาะประมาณ 3.8 เท่าของอะลูมิเนียม และความแข็งจำเพาะ 1.71 เท่าของอะลูมิเนียม

เปรียบเทียบคุณสมบัติทางความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์และอลูมิเนียม

คุณสมบัติอีกสองประการที่แสดงความแตกต่างระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และอลูมิเนียมคือการขยายตัวทางความร้อนและการนำความร้อน

การขยายตัวเนื่องจากความร้อนจะอธิบายว่าขนาดของวัสดุเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

อะลูมิเนียมมีการขยายตัวทางความร้อนมากกว่าคาร์บอนไฟเบอร์ประมาณหกเท่า

ข้อดีข้อเสีย

เมื่อออกแบบวัสดุและระบบขั้นสูง วิศวกรจะต้องพิจารณาว่าคุณสมบัติของวัสดุใดที่สำคัญที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน เมื่อความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงหรือความแข็งต่อน้ำหนักสูงมีความสำคัญ คาร์บอนไฟเบอร์คือตัวเลือกที่ชัดเจน ในแง่ของการออกแบบโครงสร้าง เมื่อน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นอาจทำให้วงจรชีวิตสั้นลงหรือทำให้ประสิทธิภาพลดลง นักออกแบบควรมองว่าคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุก่อสร้างที่ดีกว่า เมื่อความเหนียวเป็นสิ่งสำคัญ คาร์บอนไฟเบอร์จะถูกรวมเข้ากับวัสดุอื่นๆ ได้อย่างง่ายดายเพื่อให้ได้คุณลักษณะที่จำเป็น

คุณสมบัติการขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำของคาร์บอนไฟเบอร์เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญในการสร้างผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความแม่นยำสูง และความเสถียรของมิติในสภาวะที่อุณหภูมิผันผวน เช่น อุปกรณ์เกี่ยวกับแสง เครื่องสแกน 3 มิติ กล้องโทรทรรศน์ ฯลฯ

การใช้คาร์บอนไฟเบอร์ก็มีข้อเสียบางประการเช่นกัน คาร์บอนไฟเบอร์ไม่ให้ผลผลิต ภายใต้การรับน้ำหนัก คาร์บอนไฟเบอร์จะโค้งงอแต่จะไม่คงรูปทรงใหม่อย่างถาวร (ยืดหยุ่น) เมื่อความต้านทานแรงดึงสูงสุดของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์เกิน คาร์บอนไฟเบอร์จะล้มเหลวกะทันหัน วิศวกรจะต้องเข้าใจพฤติกรรมนี้และรวมปัจจัยด้านความปลอดภัยไว้ด้วยเพื่อคำนึงถึงเมื่อออกแบบผลิตภัณฑ์ ชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์ยังมีราคาแพงกว่าอลูมิเนียมอย่างมาก เนื่องจากมีต้นทุนสูงในการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ รวมถึงทักษะและประสบการณ์ที่ยอดเยี่ยมในการสร้างชิ้นส่วนคอมโพสิตคุณภาพสูง