Stal od dawna jest używana do tworzenia solidnych, trwałych i sztywnych konstrukcji. Włókno węglowe jest stosunkowo nowym dodatkiem do materiałów konstrukcyjnych, ale jego właściwości są imponujące i wyjątkowe. Poniżej znajduje się zestawienie właściwości tych dwóch materiałów oraz kilka przykładów branż, które przechodzą na włókno węglowe.
Czym jest włókno węglowe?
Włókno węglowe składa się z węgla, naturalnie występującego pierwiastka, i ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie dzięki swojej krystalicznej strukturze. Jest on używany do produkcji wysokiej wytrzymałości, lekkie części kompozytowe z włókna osadzone w matrycy polimerowej. Fizyka węgla sprawia, że jest on bardzo mocny i niewiarygodnie sztywny. Moduł sprężystości (miara odporności materiału na odkształcenia) dla włókien węglowych wynosi od 150 do 760 gigapaskali (GPa). Szeroki zakres wynika z tego, że proces produkcyjny może być modyfikowany w celu dostosowania sztywności i wytrzymałości. Wytrzymałość na rozciąganie włókien węglowych jest jedną z najwyższych spośród wszystkich dostępnych materiałów. Chociaż wiele materiałów, w tym stal, może charakteryzować się wysoką sztywnością i wytrzymałością na rozciąganie, prawdziwą zaletą włókien węglowych jest stosunek wytrzymałości do masy oraz sztywności do masy wynikający z ich niskiej gęstości (około 1,6 g/cm3). Dzięki temu materiały z włókna węglowego mogą charakteryzować się wysoką wytrzymałością na rozciąganie przy jednoczesnej niskiej wadze. W związku z tym jest to idealny kandydat do zastosowań przemysłowych, takich jak:
- Robotyka
- Metrologia
- Pojazdy naziemne
- samochody
- trucki
- rowery
- Turbiny wiatrowe
W wielu z tych zastosowań, cięższe materiały zużywają więcej energii, powodują większe zużycie w czasie i/lub sprawiają, że projekty o wysokiej wydajności są trudne lub niemożliwe do wykonania.
Jak wypada stal?
Stal jest materiałem, z którego korzysta się od dawna ze względu na jej wysoki moduł sprężystości wynoszący około 200 GPa. Ta sztywność i względna obfitość uczyniły z niej wszechobecny materiał do produkcji. Jednak przy gęstości około 8 g/cm3 jego waga może być bardzo uciążliwa dla maszyn, które ma wzmacniać. Jest to około 5 razy więcej niż waga materiałów z włókna węglowego, które zapewniałyby taką samą lub lepszą sztywność.
Jakie są niektóre powszechne zastosowania włókna węglowego?
Włókno węglowe może być używane do produkcji szerokiej gamy produktów. Wszystko, co musi być sztywne i lekkie jest doskonałym kandydatem do materiałów kompozytowych z włókna węglowego. Są to popularne opcje dla obudów telefonów, ponieważ oferują wysoki poziom ochrony przed uszkodzeniami. Są one coraz częściej stosowane w dronach i bezzałogowych statkach powietrznych (UAV), gdzie niska waga przyczynia się do lżejszej konstrukcji i większej ładowności. W przemyśle samochodowym, nowe osiągnięcia w technologii włókien węglowych mogą zmniejszyć wagę samochodu prawie o połowę. Ponadto, włókno węglowe nie ulega rozszerzalności cieplnej jak stal czy aluminium. Stoły do obrazowania medycznego korzystają z wytrzymałości i sztywności włókna węglowego, zachowując krytyczne wymiary pod obciążeniem, nie niszcząc się z upływem czasu, nawet po zastosowaniu dużych dawek promieniowania rentgenowskiego i gamma.
Jak łatwo jest ciąć włókno węglowe w porównaniu do stali?
Włókno węglowe jest łatwiejsze do cięcia niż stal. Jego niewielka waga ułatwia przenoszenie, a tarcze obrotowe lub piły z ostrzami diamentowymi lub wolframowo-węglowymi z łatwością tną kompozyty z włókna węglowego i ułatwiają tworzenie prototypów.
Wykonywanie prototypów jest bardzo proste.