Sợi carbon và nhôm

Sợi carbon đang thay thế nhôm trong nhiều ứng dụng ngày càng đa dạng và đã làm như vậy trong vài thập kỷ qua. Những sợi này được biết đến với độ bền và độ cứng đặc biệt và cũng cực kỳ nhẹ. Các sợi sợi carbon được kết hợp với nhiều loại nhựa khác nhau để tạo ra vật liệu composite. Những vật liệu composite này tận dụng các đặc tính của cả sợi và nhựa. Bài viết này cung cấp sự so sánh các đặc tính của sợi carbon so với nhôm, cùng với một số ưu và nhược điểm của từng vật liệu.

Đo sợi carbon và nhôm

Dưới đây là định nghĩa về các tính chất khác nhau được sử dụng để so sánh hai vật liệu:

Mô đun đàn hồi = Độ cứng của vật liệu. Tỷ lệ ứng suất và biến dạng của vật liệu. Độ dốc của đường cong ứng suất và biến dạng của vật liệu trong vùng đàn hồi của nó.

Độ bền kéo cuối cùng = ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi đứt.

Mật độ = khối lượng của vật liệu trên một đơn vị thể tích.

Độ cứng riêng = Mô đun đàn hồi chia cho mật độ của vật liệu. Được sử dụng để so sánh các vật liệu có mật độ khác nhau.

Độ bền kéo cụ thể = Độ bền kéo chia cho mật độ của vật liệu.

Với thông tin này, biểu đồ sau đây so sánh sợi carbon và nhôm.

Lưu ý: Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến những con số này. Đây là những khái quát; không phải là phép đo tuyệt đối. Ví dụ, các vật liệu sợi carbon khác nhau có sẵn với độ cứng hoặc độ bền cao hơn, thường có sự đánh đổi trong việc giảm các đặc tính khác.

Biểu đồ này cho thấy sợi carbon có độ bền kéo cụ thể gấp khoảng 3,8 lần so với nhôm và độ cứng cụ thể gấp 1,71 lần so với nhôm.

So sánh tính chất nhiệt của sợi carbon và nhôm

Hai đặc tính nữa cho thấy sự khác biệt giữa sợi carbon và nhôm là độ giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt.

Sự giãn nở nhiệt mô tả kích thước của vật liệu thay đổi như thế nào khi nhiệt độ thay đổi.

Nhôm có khả năng giãn nở nhiệt gấp khoảng sáu lần so với sợi carbon.

Ưu và nhược điểm

Khi thiết kế các vật liệu và hệ thống tiên tiến, các kỹ sư phải xác định đặc tính vật liệu nào là quan trọng nhất cho các ứng dụng cụ thể. Khi vấn đề về độ bền theo trọng lượng hoặc độ cứng theo trọng lượng cao, sợi carbon là sự lựa chọn hiển nhiên. Về mặt thiết kế kết cấu, khi trọng lượng tăng thêm có thể rút ngắn vòng đời hoặc dẫn đến hiệu suất kém, các nhà thiết kế nên xem xét sợi carbon làm vật liệu xây dựng tốt hơn. Khi cần độ dẻo dai, sợi carbon dễ dàng kết hợp với các vật liệu khác để có được những đặc tính cần thiết.

Đặc tính giãn nở nhiệt thấp của sợi carbon là một lợi thế đáng kể khi tạo ra các sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao và độ ổn định kích thước trong điều kiện nhiệt độ dao động: thiết bị quang học, máy quét 3D, kính thiên văn, v.v.

Cũng có một số nhược điểm khi sử dụng sợi carbon. Sợi carbon không mang lại hiệu quả. Dưới tải trọng, sợi carbon sẽ uốn cong nhưng sẽ không vĩnh viễn phù hợp với hình dạng mới (đàn hồi). Khi độ bền kéo cuối cùng của vật liệu sợi carbon vượt quá, sợi carbon sẽ bị hỏng đột ngột. Các kỹ sư phải hiểu hành vi này và tính đến các yếu tố an toàn để tính đến nó khi thiết kế sản phẩm. Các bộ phận bằng sợi carbon cũng đắt hơn đáng kể so với nhôm vì chi phí sản xuất sợi carbon cao cũng như kỹ năng và kinh nghiệm tuyệt vời liên quan đến việc tạo ra các bộ phận composite chất lượng cao.