Вуглецеве волокно проти алюмінію

Вуглецеве волокно замінює алюміній у все більш різноманітних сферах застосування, і це відбувається протягом останніх кількох десятиліть. Ці волокна відомі своєю винятковою міцністю та жорсткістю, а також надзвичайно легкі. Нитки вуглецевого волокна поєднуються з різними смолами для створення композитних матеріалів. Ці композитні матеріали використовують властивості як волокна, так і смоли. У цій статті представлено порівняння властивостей вуглецевого волокна та алюмінію, а також деякі переваги та недоліки кожного матеріалу.

Виміряно вуглецеве волокно проти алюмінію

Нижче наведено визначення різних властивостей, які використовуються для порівняння двох матеріалів:

Модуль пружності = «жорсткість» матеріалу. Відношення напруги до деформації для матеріалу. Нахил кривої напруга – деформація для матеріалу в його пружній області.

Межа міцності на розрив = максимальне навантаження, яке може витримати матеріал перед розривом.

Щільність = маса матеріалу на одиницю об’єму.

Питома жорсткість = модуль пружності, поділений на щільність матеріалу. Використовується для порівняння матеріалів з різною щільністю.

Питома міцність на розрив = міцність на розрив, поділена на щільність матеріалу.

Враховуючи цю інформацію, наведена нижче таблиця порівнює вуглецеве волокно та алюміній.

Примітка. Багато факторів можуть впливати на ці цифри. Це узагальнення; не абсолютні вимірювання. Наприклад, різні матеріали з вуглецевого волокна доступні з більшою жорсткістю або міцністю, часто з компромісом у зниженні інших властивостей.

На цій діаграмі показано, що питома міцність на розрив вуглецевого волокна приблизно в 3,8 рази більша, ніж у алюмінію, і питома жорсткість у 1,71 рази більша, ніж у алюмінію.

Порівняння теплових властивостей вуглецевого волокна та алюмінію

Ще дві властивості, які показують відмінності між вуглецевим волокном і алюмінієм, це теплове розширення і теплопровідність.

Теплове розширення описує, як змінюються розміри матеріалу при зміні температури.

Алюміній має приблизно в шість разів більше теплового розширення, ніж вуглецеве волокно.

Плюси і мінуси

При проектуванні передових матеріалів і систем інженери повинні визначити, які властивості матеріалів є найбільш важливими для конкретних застосувань. Коли має значення висока міцність до ваги або висока жорсткість до ваги, вуглецеве волокно є очевидним вибором. З точки зору структурного дизайну, коли додаткова вага може скоротити життєвий цикл або призвести до низької продуктивності, дизайнерам слід звернути увагу на вуглецеве волокно як кращий будівельний матеріал. Коли важлива міцність, вуглецеве волокно легко поєднується з іншими матеріалами для отримання необхідних характеристик.

Властивості вуглецевого волокна з низьким температурним розширенням є значною перевагою при створенні виробів, які вимагають високого ступеня точності та стабільності розмірів в умовах коливань температури: оптичні пристрої, 3D-сканери, телескопи тощо.

Є також кілька недоліків використання вуглецевого волокна. Карбон не поступається. Під навантаженням вуглецеве волокно згинається, але не буде постійно відповідати новій формі (еластичності). Після перевищення межі міцності на розрив вуглецевого волокна вуглецеве волокно раптово виходить з ладу. Інженери повинні розуміти цю поведінку та врахувати фактори безпеки під час проектування продуктів. Деталі з вуглецевого волокна також значно дорожчі за алюмінієві через високу вартість виробництва вуглецевого волокна та великі навички та досвід, пов’язані зі створенням високоякісних композитних деталей.