Aluminium vs włókno węglowe – porównanie materiałów

Czym zastąpić aluminium aby wykonać lżejszy i wytrzymalszy element?

Czy można wykonać element o 50% lżejszy niż wykonany z aluminium o podobnej lub wyższej wytrzymałości?

O ile aluminium jest powszechnie znane o tyle włókno węglowe jest nowym materiałem dla większości konstruktorów. Artykuł powstał po to aby przybliżyć konstruktorom jakie są różnicę pomiędzy tymi materiałami. Niewątpliwie każdy ma swoje plusy i minusy.

Jakie ?

Tego dowiesz się z tego artykułu czytając porównanie aluminium do włókna włókna węglowego.

Wstęp

Włókno węglowe jest używane wszędzie tam gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość oraz sztywność w stosunku do wagi. Wykorzystuje się je między innymi w lotnictwie, robotach przemysłowych, sporcie samochodowym, sportowych rowerach, produktach do rehabilitacji.

Włókno węglowe ze względu na swój unikalny wygląd, stosowane jest również w produkcji produktów prestiżowych takich jak zegarki, portfele, elementy dekoracyjne itp. Pozwala to wyróżnić produkt na tle konkurencji i nadać mu charakteru produktów klasy premium.

Niełatwo jest porównać właściwości włókna węglowego do stali czy aluminium. Metale w przeciwieństwie do włókna węglowego są z natury jednorodne – izotropowe co oznacza że ich właściwości są takie same w każdym kierunku.

Wytrzymałość i sztywność elementu z włókna węglowego jest rozłożona w tych kierunkach w których są ułożone tkaniny. Daje to z jednej strony duże możliwości do optymalizacji produkcji kompozytów ale jednocześnie z drugiej strony wymaga dużej wiedzy i doświadczenia od producenta kompozytów.

W niniejszym artykule porównaliśmy włókno węglowe do aluminium według 10 najważniejszych właściwości z punktu widzenia konstruktorów:

1. Sztywność i wytrzymałość materiału w stosunku do jego wagi.
2. Sztywność i wytrzymałość materiału przy tej samej grubości ścianki elementu.
3. Waga / gęstość materiału.
4. Obróbka materiału.
5. Rozszerzalność cieplna.
6. Przewodzenie ciepła.
7. Odporność temperaturowa.
8. Praca materiału w dłuższym okresie czasu.
9. Wdrożenie produkcji.
10. Podsumowanie

Na zakończenia wstępu należy dodać iż w wielu miejscach w artykule zawarta jest informacja o włóknie węglowym i jego parametrach przez co należy należy rozumieć kompozyt z włókna węglowego i żywicy epoksydowej.

1. Sztywność i wytrzymałość danego materiału w stosunku do jego wagi

Porównując sztywność i wytrzymałości danego materiału w stosunku do jego wagi, na początku niezbędne jest obrazowe nakreślenie tego zagadnienia. Aby to zobrazować, wyobraź sobie że dysponujesz płytką o szerokości 5 cm, długości 50 cm i grubości 2 mm. Na końcu płytki zawieszasz 5 kilowy odważnik. Płytka wygnie się pod wpływem obciążenia a za stopień wygięcia odpowiada sztywność (ang. stiffness). Dla różnych materiałów płytka o tej samej grubości będzie się różnie wyginała. Im sztywniejszy materiał tym płytka ulegnie mniejszemu wygięciu. Po zdjęciu ciężarka, płytka wróci do pierwotnego położenia (odgina się z powrotem).

Teraz wyobraź sobie że pasek materiału obciążasz dużo większym obciążeniem – na tyle dużym że pasek się deformuje (ang. yield) i po zdjęciu obciążenia nie jest w stanie powrócić do pierwotnego kształtu. Za to odpowiada wytrzymałość materiału (ang. strength). Im materiał bardziej wytrzymały tym większe obciążenie jest w stanie przyjąć zanim ulegnie trwałej deformacji.

Oprócz wytrzymałości i sztywności, bardzo ważna dla konstruktorów jest również waga danego elementu, która wynika z gęstości materiału (density).

Sztywności materiału mierzymy przy pomocy skali nazwanej modułem Younga. Sam ten parametr jest jednak niewystarczający do oceny sztywności materiału, bez zwrócenia uwagi na wagę danego elementu.

Dla przykładu budując taką samą ramę rowerową (wymiary, geometria, grubość ścianki) ale wykonaną z dwóch różnych metali: stali i aluminium, stalowa rama będzie 3 razy sztywniejsza niż aluminiowa. Jadnak gdy pod uwagę weźmiemy również wagę elementów okaże się że rama stalowa choć jest 3 razy sztywniejsza niż aluminiowa, to jednocześnie jest 3 razy cięższa.

Te dane są jedynie uproszczonym porównaniem ponieważ w praktyce projektant dobiera do danego materiału odpowiednią geometrię, np. w przypadku projektowania ramy rowerowej z aluminium najczęściej zwiększa się średnicę ramy oraz zwiększa grubość ścianki. Dla ramy rowerowej, sztywność i wytrzymałość jest ściśle związana z geometrią oraz grubością ścianki (2 krotne zwiększenie grubości to około 8-krotne zwiększenie sztywności).

Ilość różnych składowych pozwala się nieco pogubić, z pomocą przychodzi tu stosunek sztywności materiału do jego wagi który pozwala znaleźć wspólny mianownik i uprościć porównanie różnych materiałów.

Stosunek sztywności do wagi (specific modulus) jest najbardziej praktycznym wskaźnikiem sztywności materiału, ponieważ dla większości konstruktorów duże znaczenie ma zarówno sztywność jak i waga elementu.

Włókno węglowe jest materiałem sztywnym i wytrzymałym przy jednocześnie niskiej gęstości własnej – lżejszym niż aluminium i stal, co istotnie przekłada się praktyczne korzyści z jego zastosowania.

Zakładając tą samą wagę elementów włókno węglowe jest 2-5 razy (w zależności do użytego włókna) sztywniejsze niż aluminium oraz stal. Przy specyficznym elementach pracujących tylko w jednym kierunku i użyciu włókna węglowego jednokierunkowego, włókno węglowe jest 5-10 razy sztywniejsze niż stal oraz aluminium (przy tej samej wadze).

Poniższe tabele porównują sztywność i odporność na uszkodzenie dla różnych materiałów o tej samej wadze. Do porównania przyjęto włókno węglowe dwukierunkowe – najczęściej stosowane w kompozytach oraz włókno węglowe jednokierunkowe – wykorzystywane rzadziej, w produktach pracujących głównie jednokierunkowo.

Porównanie sztywności w stosunku do wagi oraz wytrzymałości w stosunku do wagi dla aluminium, stali i włókna węglowego dwukierunkowego:

Porównanie sztywności w stosunku do wagi oraz wytrzymałości w stosunku do wagi dla aluminium, stali i włókna węglowego jednokierunkowego:

Dane podane dla włókna węglowego dotyczą próbki wykonanej infuzją żywicy epoksydowej (stosunek włókna węglowego do żywicy 70/30%) .

Powyższe zestawienie pokazuje jak dużo możliwości daje włókno węglowe i jakie można uzyskać korzyści projektując i wykonując element z włókna węglowego. Tkaniny podwyższonego i wysokiego modułu to specjalne (niestety bardzo drogie) tkaniny o nawet 2 krotnej sztywności standardowego włókna węglowego, używane głównie w sektorze wojskowym i Aerospace.

Aby obrazowo zinterpretować wyniki z tabeli posłużymy się przykładem w którym konstruktor chce wykonać wytrzymałą i lekką płytę o wymiarach 1 m2 i wadze maksymalnie 10 kg. Przy wyborze rozważa aluminium, stal i włókno węglowe.

Zakładając limit wagi 10 kg, konstruktor ma do wyboru:

• Płytę o grubości około 1.5 mm wykonaną z stali.
• Płytę o grubości około 4 mm wykonaną z aluminium.
• Płytę o grubości około 7 mm wykonaną z włókna węglowego.

Włókno węglowe ma 2 ogromne zalety.

Jest sztywniejsze niż aluminium (opisane szerzej w punkcie 2) oraz ma niższą gęstość przez co produkt o tej samej wadzę może być grubszy i korzystać z dodatkowego zwiększania sztywności z samej grubości. W dużym uproszczeniu podwojenie grubości materiału zwiększa sztywność elementu 2³ – czyli prawie 8 krotnie. Daje to olbrzymie możliwości w zakresie obniżenia wagi elementu przy zastosowaniu włókna węglowego.

2. Sztywność i wytrzymałość danego materiału przy tej samej grubości ścianki elementu

Bardzo często konstruktorzy szukają materiału który pozwoli im wykonać analogiczny do aluminiowego element dopasowany wymiarami – także grubością do już istniejącego urządzenia. Poniżej prezentujemy bezpośrednie porównanie sztywności i wytrzymałości dla elementu o tej samej grubości wykonanego z aluminium, stali i włókna węglowego. Należy pamiętać że zachowując te same wymiary element z włókna węglowego będzie o około 50% lżejszy niż aluminiowy i ponad 5 razy lżejszy niż stalowy o czym więcej w punkcie „3. Waga / gęstość materiału.

Porównanie sztywności oraz wytrzymałości przy tej samej grubości ścianki: dla aluminium, stali i włókna węglowego dwukierunkowego:

Porównanie sztywności oraz wytrzymałości przy tej samej grubości ścianki: dla aluminium, stali i włókna węglowego jednokierunkowego:

Element wykonany z standardowego włókna węglowego o tej samej grubości co aluminiowy, będzie o 31 % sztywniejszy niż aluminiowy i jednocześnie o około 50% lżejszy oraz 60% wytrzymalszy na zniszczenie .

Wykorzystując włókno węglowe wysokiego modułu oraz tkaniny jednokierunkowe można osiągnąć 4 krotnie wyższą sztywność niż aluminium przy podobnej lub wyższej wytrzymałości na zniszczenie

Tytułem komentarza należy dodać że w praktyce stal i aluminium mają niższą odporność na uszkodzenie niż podane dane w tabeli. Dzieje się tak ponieważ zanim element metalowy ulegnie całkowitemu zniszczeniu (a ten moment przyjęto w tabeli do obliczenia odporności na uszkodzenie), zacznie się stale odkształcać bez możliwości powrotu do swoich pierwotnych wymiarów.

Punkt w którym zaczyna się takie trwałe wygięcie (ale jeszcze bez zniszczenia materiału) oznacza się miarą Yield strength. Dla odporności na uszkodzenie w powyższych danych przejęto miary Tensile Strength – Ultimate Strength która oznacza odporność materiału na całkowite zniszczenie (pęknięcie).

Dla przykładu wyginając blachę aluminiową zanim próbka ulegnie całkowitemu uszkodzeniu i pęknie, najpierw załamie się podczas wyginania (bez możliwości powrotu do pierwotnego położenia). Dane w tabeli oparte są o całkowite uszkodzenie próbki (pęknięcie) i zakładają że załamanie nie jest jeszcze całkowitym zniszczeniem (co nie do końca jest prawdą). Włókno węglowe pracuje inaczej – przy obciążeniu w którym aluminium wygnie się bez możliwości powrotu, włókno węglowe będzie pracować bardziej sprężyście, wygnie się chwilo, ale po zdjęciu obciążenia wróci do swojej pierwotnej pozycji (sprężynuje). Całkowite zniszczenie elementu z włókna węglowego będzie nagłe i bez zapowiedzi – w przeciwieństwie do aluminium które informuje o tym najpierw poprzez trwałe wygięcie. Należy mieć to na uwadze przy projektowaniu elementów z włókna węglowego, tak aby zachować odpowiednio bezpieczną rezerwę wytrzymałości.

Poniższy film porównuje wytrzymałość na zniszczenie wału napędowego wykonanego z włókna węglowego oraz stali oraz pokazuje inny sposób w jaki materiały ulegają zniszczeniu:

Wracając do interpretacji wyników z tabeli, można zauważyć że stosując włókna węglowe wysokiego modułu uzyskujemy zadziwiające parametry sztywności, aczkolwiek jednocześnie im bardziej sztywne włókno węglowe zastosujemy (im wyższy będzie miało moduł) tym jednocześnie mniejsza się jego odporność na uszkodzenie.

Obrazując to inaczej płyta z włókna węglowego ekstremalnie sztywna – wykonana z tkanin wysokiego modułu będzie miała mniejsza odporność na uszkodzenie. Im bardziej ekstremalnie usztywnimy element stosując tkaniny węglowe wysokiego modułu tym jednocześnie przy mniejszym wygięciu element pęknie.

Do dalszych analiz przyjmujemy włókno węglowe standardowe modułu a kompozyty wykonane z tkanin wysokiego modułu przyjmijmy jako pokaz możliwości jakie dają kompozyty węglowe.

Na koniec omawiania właściwości takich jak sztywność i wytrzymałość należy dodać że zarówno dla aluminium jak i włókna węglowego można stosować „hybrydy”nadające inną charakterystykę gotowemu detalowi. W przypadku aluminium będą to stopy z innymi metalami, w przypadku włókna węglowego będzie to zastosowania jednocześnie włókien aramidowym, szklanym, bazaltowym lub vectranowych.

Dosyć powszechne są kompozyty aramidowo (kevlarowo) – węglowe które są jednocześnie sztywne i bardzo odporne na zniszczenie, ale o tym szerzej opiszemy w innym artykule.

3. Waga / gęstość materiału

Waga ma kluczowe znaczenie w wielu produktach. Dla przykładu redukcja wagi ramienia/ chwytaka w robocie przemysłowym który pracuje z prędkością 10 m/s pozwoli zwiększyć jego prędkość pracy i wydłuży jego żywotność. W skali przemysłowej może to oznaczać zwiększenie wydajności linii produkcyjnej i bardzo duże oszczędności.

Innym przykładem może być wózek inwalidzki, zmniejszenie wagi wózka inwalidzkiego ułatwia transport wózka np. do samochodu czy też jego sterowalność. Ekstremalnym przykładem są bolidy Formuly 1 w których zmiana aluminium na włókno węglowego pozwoliła zmniejszyć krytyczną dla tego sportu wagę bolidu.

Wracając do porównania aluminium do włókna węglowego, gęstość materiału bezpośrednio przekłada się na jego wagę.

Kompozyt z włókno węglowego ma prawie 2 razy mniejszą gęstości niż aluminium, i ponad 5 krotnie mniejszej gęstości niż stal. Dzięki temu zachowując takie same wymiary elementu , sama zmiana materiału z aluminium na włókno węglowego zmniejszy jego wagę o 50%. W przypadku zmiany materiału z stali na włókno węglowe zmniejszymy wagę 5 krotnie.

Dla obrazowe porównania posłużą nam płyty o grubości 6 mm oraz powierzchni 1 m2.

Jeden metr kwadratowy płyty o grubości 6 milimetrów waży:

• dla płyty stalowej 47,1 kg
• dla płyty aluminiowej 16.2 kg
• dla płyty z włókna węglowego 8.7 kg.

Przy konstruowania produktów i wyborze materiału należy wziąć pod uwagę sztywność i wytrzymałość danego materiału opisaną w punkcie 1 i 2 tego artykułu. W praktyce to o ile można obniżyć wagę elementu zmieniając materiał z aluminiowego na włókno węglowe wymaga wykonania prób i doświadczeń. Każdy element jest indywidualnym przypadkiem o różnej geometrii i wymaganiach. Najczęściej udaje się wykonać elementy o 30-50 % lżejsze na korzyść włókna węglowego.

W przypadku redukcji wagi z zastosowania włókna węglowego niewątpliwie duże pole do popisu zostawiają produkty w których ważna jest wytrzymałość kierunkowa. Kompozyty w przeciwieństwie do metali nie są materiałami o takiej samej wytrzymałości w każdym kierunku (jednorodnymi). To w trakcie produkcji decyduje się w którym kierunku będą użyte tkaniny (stosując tkaniny jednokierunkowe) i w którym kierunku będzie najwyższa wytrzymałość, odejmując wytrzymałość w miejscach w których nie jest ona potrzebna. Wykorzystując to można uzyskać jeszcze większą redukcję wagi dla elementów wykonanych z włókna węglowego.

4. Obróbka materiału

Włókno węglowe ze względu na swoją niską gęstość jest materiałem łatwo obrabialnym przy pomocy obrabiarki CNC lub ręcznych narzędzi takich jak szlifierka kątowa lub dremel.

Choć w wysokiej jakości kompozycie z włókna węglowego wykonanym metodą próżniową (infuzja żywicy, prepreg) można robić gwinty to dla często używanych połączeń gwintowanych używa się specjalnych wklejanych insertów.

Łącząc elementy aluminiowe najczęściej używa się spawania, nitowania lub zastosowania insertów, włókno węglowe najczęściej jest klejone i w razie potrzeb wzmacnianie nitami lub insertami. Obecne kleje epoksydowe zapewniają na tyle silne łączenie że pozwalają uzyskać wytrzymałość łączenia zbliżoną do spawania.

Jako ciekawostka niech posłuży fakt że Ferrari przechodzi powoli od spawania aluminium w stronę klejenia klejami epoksydowymi. Obecna wersja Ferrari 458 Italia ma 70 metrów spawów i 8 metrów kleju. Główny inżynier Ferrari Moruzzi przewiduje że w przyszłości nadwozie będzie w większym stopniu klejone niż spawane , Ferrari widzi w tym szansę na używanie innych stopów aluminium które mają lepsze parametry ale nie mogą być spawane.

Porównując klejenie do spawania, klejenie jest prostsze w wdrożeniu niż spawanie (choć podobnie jak w przypadku spawania również wymaga wiedzy i doświadczenia).

W celu obniżenia wagi, klejenie powszechnie stosowane jest w współczesnych samolotach co pozwala obniżyć wagę bezpośrednio przyczyniając się do redukcji wagi i tym samym zużycia paliwa.

Klejenie ma swoje minusy takie jak konieczność przygotowania powierzchni pod klejenie czy czas wiązania kleju. W wielu przypadkach klejone elementy które mogą być narażone na uderzenie (np. wypadek samochodu) są wspierane insertami ze względu na nagłe siły zrywające.

Klejenie będzie coraz częściej wykorzystywane wraz z rozwojem coraz wytrzymalszych klejów oraz budowaniem świadomości jakie korzyści i możliwości daje klejenie.

5. Rozszerzalność cieplna

Naturą każdego materiału jest rozszerzalność cieplna.

Praktycznie zerowa rozszerzalność cieplna włókna węglowego jest wykorzystywana w urządzeniach optycznych takich jak skanery 3d.

Konstruktorzy coraz częściej zauważają ogromną przewagę włókna węglowego jaką jest wyjątkowo niska rozszerzalność cieplna w stosunku do tradycyjnych materiałów takich jak stal czy aluminium. Włókno węglowe ma tu pole do popisu szczególnie w elementach o wyjątkowej precyzji pracy, takich jak urządzenia optyczne, skanery 3d, teleskopy oraz innych urządzeniach w których rozszerzalność cieplna musi być maksymalnie niska.

Włókno węglowe (kompozyt włókna węglowego i żywicy epoksydowej) jest materiałem o ponad 6 razy mniejszej rozszerzalności cieplnej niż aluminium i ponad 3 razy mniejszej rozszerzalności cieplnej niż stal.

Poniżej porównanie rozszerzalności cieplnej dla różnych materiałów , miarą jest stosunek cal / stopień Fahrenheit , jednostki niech posłużą tylko jako obrazowe porównanie różnic miedzy materiałami.

6. Przewodzenie ciepła

Włókno węglowe jest materiałem o niskim przewodzeniu ciepła.

Przewodzenie ciepła w skrócie jest uzależnione od transferu/przenikania ciepła z regionu o wysokiej temperaturze do regionu a niskiej temperaturze. Materiały o wysokim przewodzeniu ciepła łatwiej transferuje temperaturę niż materiały o niskim przewodzeniu ciepła.

Kompozyt z włókna węglowe i żywicy epoksydowej jest materiałem o 40 krotnie mniejszym przewodzeniu ciepła niż aluminium i 10 krotnie mniejszej niż stal. Można przyjąć że włókno węglowe jest bardzo dobrym izolatorem.

Poniżej tabela porównująca przewodzenie ciepła dla różnych materiałów – w tym włókna węglowego (jednostka W/m*)

7. Odporność temperaturowa