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铝与碳纤维——材料比较

什么材料可以替代铝并提高强度并减轻重量?是否可以制造重量比铝轻 50% 但强度相似或更高的组件?

铝是一种常用的材料,但碳纤维为许多建筑工程师提供了一种新的解决方案。本文详细说明了这些材料之间的差异,并描述了它们的优缺点。

这些材料的优缺点是什么?

阅读这篇文章,了解更多关于铝和碳纤维的优缺点。

介绍

碳纤维用于要求相对于重量具有高强度和刚性的行业。例如在航空、自动化机器、赛车、专业自行车、康复设备中。

由于其独特的设计,碳纤维还被用于制造包括手表、钱包等在内的奢侈品。这种材料使该产品​​在奢华和优雅的世界中独树一帜,使其在竞争中领先一步。

比较碳纤维与钢或铝的性能并不容易。与碳纤维不同,金属通常是均匀的——各向同性的,这确保了在各个方向上的相同特性。

碳纤维部件的强度和刚度是通过以特定方式定位织物来产生的。这为制造商提供了机会,但也需要丰富的知识和专业知识。

请注意,本文中对碳纤维及其特性的任何提及均涉及由碳纤维和环氧树脂制成的复合材料。

1. 与重量相关的材料刚度和强度

为了解释与重量相关的刚度,想象一张 5 厘米宽、50 厘米长和 2 毫米厚的薄片。当您将 5kg 的重物悬挂在板材的末端时,负载会导致弯曲,弯曲的程度将与刚度相对应。对于不同的材料,相同厚度的板材会表现出不同的弯曲性能。材料越硬,弯曲就越少。去除负载后,板材将恢复其原始形状。

现在想象一下,带材承受更高的负载——这将导致带材屈服,并且在释放负载后,带材恢复其原始形状。是力量使之成为可能。材料的强度越高,在永久屈服之前需要的负载就越多。

除了强度和刚度,设计工程师的另一个关键属性是元素的重量,它由密度决定。

材料刚度用杨氏模量测量。然而,在不考虑给定元素的重量的情况下,仅此参数不足以指定材料刚度。

例如,在自行车车架(尺寸、几何形状、壁厚)由两种不同的金属(钢和铝)制成的情况下,钢架的刚度将是铝架的 3 倍。但是,如果我们还考虑到元件的重量,那么钢架虽然比铝架的刚度高出 3 倍,但也会重 3 倍。

这些数字只是近似值,实际上,设计工程师会指定所选材料的几何形状,例如在铝制自行车车架的情况下,通常会增加车架直径以及壁厚。对于自行车车架,刚度和强度与几何形状和壁厚直接相关(壁厚增加 x 2 倍导致刚度提高约 8 倍)。

铝与碳纤维——材料比较

强度不仅取决于截面的材料和厚度,还取决于其几何形状。

实际上有很多不同的因素,但材料的刚度与其重量的关系是公分母,简化了不同材料的比较和分析。

刚度与重量的关系(即比模量)实际上是确定材料刚度的最有效方法,对于大多数设计工程师来说,刚度和重量都是最关键的参数。

碳纤维是一种以低密度提供刚度和强度的材料——它比铝和钢轻,具有许多实际好处。

按重量计算,碳纤维的刚性(取决于所使用的纤维)比铝和钢高2 到 5 倍。对于仅沿一个平面受压的特定组件,由单向碳纤维制成,其刚度将是钢或铝(相同重量)的5-10 倍。

下表比较了相同重量的不同材料的刚度和抗损坏性。出于分析的目的,应用了双向碳纤维——一种最常用于制造复合材料,另一种——偶尔使用——主要用于预期仅沿一个平面产生应力的产品。

铝、钢和双向碳纤维的重量刚度和重量强度分析:

双向碳纤维——普通模量 双向碳纤维——提高模量 双向碳纤维——最高模量
抗重量刚度

(比模量)
单位:10 6 m 2 s -2

26 25 56 83 120
抗损伤

(比强度)
单位 kN·m/kg

214 254 392 211 126

铝、钢和单向碳纤维对重量刚度和重量强度的分析:

单向碳纤维——普通模量 单向碳纤维——提高模量 单向碳纤维——最高模量
抗重量刚度

(比模量)
单位:10 6 m 2 s -2

26 25 113 166 240
抗损害

(比强度)
单位 kN·m/kg

214 254 785 423 252

上述碳纤维片材数据涉及使用环氧树脂灌注技术(碳纤维与树脂的比例为 70/30%)制成的样品。

上述陈述显示了碳纤维提供的许多优点,以及由碳纤维设计和制造的元件。改进和最高模量的织物涉及特殊材料(不幸的是非常昂贵),其刚度特性是标准碳纤维的 2 倍或 3 倍,它们主要用于军事应用和航空航天工业。

为了解释表中显示的结果,假设设计工程师要构建一个 1m 2的坚固轻质碳纤维板,最大重量为 10 kg,他考虑铝、钢和碳纤维。

记住10 公斤的重量限制,设计工程师可以选择:

  • 厚约1.5毫米的钢板。
  • 铝板约4 毫米厚。
  • 碳纤维板约7 毫米厚。

碳纤维提供 2 个基本好处。

碳纤维在较低密度下提供更大的刚度(如上所述),因此相同重量的产品可能更厚,这将导致仅通过增加厚度来提高刚度。简而言之,材料厚度增加 x 2 可提供 2 3的刚度- 大约是 8 倍。由于使用碳纤维,这为减轻重量提供了许多机会。

 2、相同单元壁厚下材料的刚度和强度

设计工程师经常寻找能够使他们制造在所有尺寸(包括厚度)上都与铝相同的组件的材料。下表显示了由铝、钢和碳纤维制成的相同厚度部件的刚度和强度比较。请注意,由相同尺寸的碳纤维制成的部件比铝制部件轻 42%,比钢制部件轻 5 倍以上。您将在第 3 节中找到更多信息。材料的重量/密度。

相同壁厚下的刚度和强度:对于铝、钢和双向碳纤维:

双向碳纤维——普通模量 双向碳纤维——提高模量 双向碳纤维——最高模量
刚度(杨氏模量)单位:GPa 69 200 90,5 132 190
极限强度(拉伸强度-极限强度) 单位 kN·m/kg 500 1000 800 368 126

相同壁厚下的刚度和强度:对于铝、钢和单向碳纤维:

材料 单向碳纤维——普通模量 单向碳纤维——提高模量 单向碳纤维——最高模量
刚度(杨氏模量)

单位:GPa

69 200 181 264 380
极限强度(拉伸强度-极限强度)单位 kN·m/kg 500 1000 1600 736 252
铝与碳纤维——材料比较
用碳纤维替代铝材后,这款潜水背板的重量减少了 55%(从 700 克减少到 450 克)。

由与铝制相同厚度的标准碳纤维制成的组件将比铝制组件提供 31% 的刚度,同时重量减轻42%,强度提高 60%。

与铝相比,使用更高模量的碳纤维和单向织物可以提供 x 4 倍的刚度,同时具有相似或更高的极限强度。

请注意,在实践中,钢和铝的极限强度低于表中规定的值。这是因为在完全破坏之前(根据这一时刻计算极限强度),金属元件会发生永久变形(不会恢复其原始尺寸)。

发生永久弯曲(没有破坏)的时刻与屈服强度有关。对于上述数据中的抗损伤性,应用了与抗完全破坏(开裂)相关的拉伸强度 - 极限强度。

例如,当弯曲铝板时,在完全破坏和开裂之前,样品首先会被破坏(没有任何恢复其原始尺寸的可能性)。表中提供的数据与完全破坏的样品(开裂)有关,假设弯曲会导致完全破坏(这并不完全正确)。碳纤维具有不同的性能——在负载导致铝永久弯曲而不恢复原始尺寸的情况下,碳纤维将表现出更大的弹性,并且在瞬间弯曲后,将在负载释放后恢复其形状(回弹效应)。碳纤维元件的完全破坏会突然发生,没有任何警告——不像铝,它会出现一些与永久弯曲有关的警告。

关于表中结果的解释,显然最高模量的碳纤维提供了非凡的刚性。然而,抗损伤性会随着刚度的增加(更高的模量)而降低。

再举一个例子,由最高模量的织物制成的具有最大刚度的碳纤维片材将提供较低的抗损坏性。组件用最高模量的织物加固得越多,它就越容易在弯曲过程中断裂。

将使用标准模量的碳纤维进行进一步的分析,由最高模量的织物制成的复合材料将提供机会,这要归功于碳复合材料。

请注意,铝和碳纤维都可以用作“混合材料”,为组件赋予其他性能特征。在铝的情况下,这涉及合金和其他金属,而在碳纤维的情况下,它涉及同时使用芳纶、玻璃、玄武岩或 vectrone 纤维。

非常常见的是凯夫拉尔和芳纶-凯夫拉尔-碳复合材料,它们具有刚性和高抗损伤性,但这将是另一项研究的主题。

3. 材料重量/密度

重量对于许多产品来说都是必不可少的。例如,减轻以 10 m/sec 的速度工作的自动化重型机器的臂/捕手的重量。将使其速度提高并延长其工作寿命。在工业规模上,它可能会提高生产厂的产能并节省大量资金。

另一个例子可能是轮椅,减轻其重量可以更容易地进出汽车,也可以更好地控制。在一级方程式赛车的情况下非常明显,用碳纤维代替铝可以减轻重量,这在这项运动中至关重要。

铝与碳纤维——材料比较
由碳纤维制成的 KUKA 自动化机械臂可提高运行速度并同时减轻重量,从而减少轴承和其他易磨损部件的负载。

由碳纤维制成的 KUKA 自动化机械臂可提高运行速度并同时减轻重量,从而减少轴承和其他易磨损部件的负载。

从铝与碳纤维的比较我们知道材料密度对其重量有直接影响。

碳纤维复合材料的密度为 1.55 g/cm 3(环氧树脂 30%,碳纤维 70%),在铝的情况下为 2.7g/cm 3 ,钛为4.5 g/cm 3或 7.9 g/cm 3为钢。

碳纤维复合材料的密度几乎是铝的 2 倍,是钢的 5 倍以上。因此,在相同尺寸的组件中,用碳纤维代替铝将使其重量减轻约 42%。用碳纤维代替钢,重量会减轻 5 倍。

为了说明这一点,想象一下面积为 1m 2的 6mm 厚的板材。

一平方米6毫米厚的碳纤维板的重量为:

  • 47.4 kg 钢板
  • 16.2 公斤的铝板
  • 碳纤维板重 9.3 公斤。

在设计产品和选择材料时,应考虑刚度以及给定材料的强度,如本研究第 1 节和第 2 节所述。在实践中,通过用碳纤维代替铝来减轻部件重量的可能性需要进一步的测试和实验。每个元素都与独特几何形状和参数的单个案例相关。通常使用碳纤维可以减轻 20-40% 的重量。

铝与碳纤维——材料比较

碳纤维车身使BMW IS车型的重量减轻了300公斤。

宝马开始为其 I3 车型生产由碳纤维制成的完整车身。碳纤维车身使他们能够将每辆汽车的重量减轻 300 公斤。每年,该公司生产数万辆这样的汽车。实际上,对这款车型感兴趣的客户比宝马最初预测的要多。

通过使用碳纤维来减轻重量是可能的并且是有利的,特别是对于定向强度显着的产品。与金属不同,复合材料在任何方向上都没有表现出相同的强度(不均匀)。实际上是在生产过程中决定织物的方向(当使用单向织物时)以及通过降低其他地方的强度来提供最大强度的方向。该解决方案可以进一步减轻碳纤维部件的重量。

4.加工/切割

碳纤维由于其低密度是一种可以很容易地用 CNC 机器或手动工具加工的材料,包括角磨机或 dremel。

铝与碳纤维——材料比较

碳纤维是一种可以很容易地用 CNC 机器加工的材料——照片显示了由碳纤维制成的纹身机。

虽然通过真空方法(树脂灌注、预浸料)生产的高质量碳纤维结构可以带螺纹,但在需要许多螺纹连接的情况下,可以使用特殊的嵌件代替。

铝元素最常通过焊接、铆接或与嵌件组合。对于碳纤维,最常使用胶合,必要时使用加强铆钉和插入物。现代 环氧树脂粘合剂确保与焊接相似的粘合强度。

有趣的是,法拉利逐渐引入了新技术,用环氧树脂粘合剂粘合代替了铝的焊接。目前,法拉利 458 Italia 具有 70 m 的焊缝和 8 m 的粘合剂。总工程师 Ferrari Moruzzi 预计,在未来,由于制造工艺的变化,与焊接相比,车身将包括更多与粘合剂相关的粘合。对于法拉利来说,这是一个使用其他性能更好但不能焊接的铝合金的机会。

在将粘合与焊接进行比较时,请注意粘合需要简单的技术实施(尽管需要专业知识和经验)。

粘合技术广泛用于航空工业,以减轻重量,同时减少燃料消耗。

然而,粘合有一些缺点,包括表面准备或粘合剂涂层粘合所需的时间。在许多情况下,可能会受到冲击(例如在车祸中)的部件会用特殊的插件加固,以抵消突然的断裂载荷。

由于更强大的粘合剂的开发,以及对其好处和可能机会的认识的提高,粘合技术将被更频繁地使用。

5. 热膨胀

每种材料表现出不同的热膨胀特性。

热膨胀与由于温度变化引起的材料尺寸变化有关。实际上,碳纤维显示出几乎为零的热膨胀,因此它被广泛用于包括 3D 扫描仪在内的设备中。

铝与碳纤维——材料比较

由于在实践中,碳纤维显示出几乎为零的热膨胀,因此它被广泛用于包括 3D 扫描仪在内的设备中。

由于在实践中,碳纤维显示出几乎为零的热膨胀,因此它广泛用于包括 3D 扫描仪在内的设备中。

与钢或铝等传统材料相比,碳纤维由于热膨胀低而具有许多优势,因此设计工程师越来越相信这一点。碳纤维在这方面表现出非凡的参数,特别适用于高精度元件,如光学设备、3D 扫描仪、望远镜和其他对最小低热膨胀至关重要的元件。

碳纤维(碳纤维和环氧树脂的复合材料)是一种热膨胀系数比铝低 6 倍、比钢低 3 倍以上的材料。

下表包括关于不同材料热膨胀的分析,考虑到英寸/华氏度的比率。指定单位仅供参考,以了解材料之间的差异。

材料 热膨胀
13
7
玻璃纤维-环氧复合材料 7-8
凯夫拉/芳纶 - 环氧树脂复合材料 3
碳纤维-环氧复合材料 2

6、热传导

碳纤维是一种具有低导热特性的材料。

铝与碳纤维——材料比较

碳纤维是一种完美的绝缘体——上图显示了碳纤维涡轮进气口。

热传导主要依赖于能量从高温区域到低温区域的传递/传导。高导热材料比低导热材料更容易传递温度。

由碳纤维和环氧树脂制成的复合材料是一种导热率比铝低 40 倍,比钢低 10 倍的材料。因此可以假设碳纤维是一种非常好的绝缘体。

该表比较了不同材料的热导率——包括碳纤维(单位 W/m*)

材料 热传导
碳纤维-环氧复合材料 5-7
50
210

7. 耐温

铝是一种耐高温的材料,在这方面它比碳纤维复合材料具有优势。

碳纤维的性能和耐高温性取决于复合结构和烘烤技术。碳纤维复合材料确实耐高温,但不幸的是,情况往往并非如此。实际上,这是由于许多复合材料供应商在这方面的材料不当、复合材料烘烤不当或知识和经验不足造成的。

为确保耐高温,在制造过程中只能使用表现出这种耐高温性的材料,前提是复合材料烘烤在与复合材料所需耐热性相似的温度范围内正确进行。使用耐高温树脂,在烘箱内没有额外硬化,将无法提供所需的抵抗力。

经过适当烘烤的标准环氧碳纤维复合材料可耐受高达 70-100 °C (160-210 °F) 的温度。

如果需要耐受超过 100°C 的温度,通常碳纤维预浸料是合适的,通常伴随着复合材料在 150°C/300°F 左右的温度下硬化,这可以提高高达200°C/400温度的耐受性华氏度。例如,Prepreg Gurit EP127 具有高达230°C/445°F 的耐受性。

如果需要耐受更高的温度,可以使用酚醛树脂,这些复合材料的瞬时耐受性高达500°C/930°F。

虽然可以确保复合材料具有这种抵抗力,但请注意,这些特殊材料成本高昂,不仅需要在高温炉中硬化,还需要专业知识。因此,所有这些都导致耐高温的复合材料价格高昂。

 8. 长期表现

用于建筑时,碳复合材料应采用真空法制造——树脂灌注或预浸料。这种技术确保了碳复合材料的长使用寿命。采用“辊刷”手工制作的碳复合材料强度差,使用寿命短。

碳纤维具有耐腐蚀性,与铝相比,它提供了另一个优势。

碳纤维-环氧树脂复合材料的缺点是对紫外线辐射的抵抗力降低,因此暴露于紫外线辐射下的复合材料应通过面漆应用进行保护,作为附加工艺,这会导致更高的生产成本。

9、生产实施

为什么碳纤维在生产中没有被广泛使用,尽管它比非常流行的铝具有许多优点?

最常见的原因是价格:碳纤维元件的成本高于铝元件,因为碳纤维成本更高,并且碳产品的制造更耗时。

另一方面,在比较与实施铝和碳纤维生产相关的成本时,在许多情况下,碳纤维元件的生产会更便宜,更重要的是,在小批量生产的情况下可以负担得起。铝元件生产的成本效益不高。

最后,我们需要提及的是,人们普遍缺乏对碳纤维相对于传统材料(包括铝或钢)的优势和好处的认识。我们希望这篇论文能提供更多关于碳纤维的见解,以及这种材料与铝的不同之处,以及用碳纤维代替铝可能带来哪些好处。

10. 总结

我们希望这项研究能够提供更多关于碳纤维与铝相比性能的信息。随着时间的推移,越来越多的设计工程师将使用这种材料,因为碳纤维具有许多优点,包括重量轻、热膨胀几乎为零、易于加工和高刚性。

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