Anglies pluoštas ir titanas yra dvi medžiagos, kurias inžinieriai nurodo, kada aliuminis nėra pakankamai geras – per sunkus, per lankstus arba per daug linkęs į nuovargį. Abiejų rūšių kainos yra aukštos kokybės. Abiem reikalinga specializuota gamyba. Tačiau jos pasižymi iš esmės skirtingomis savybėmis, dėl kurių kiekviena yra tinkamas pasirinkimas skirtingose situacijose. Pateikiame tiesioginį matmenų, kurie yra svarbūs didelio našumo taikymams, palyginimą.
Anglies pluoštas ir titanas: kuo jie iš tikrųjų skiriasi?
Titanas (paprastai Ti-6Al-4V) yra metalas – izotropinis, laidus elektrai, suvirinamas ir gerai suprantamas nuovargio pobūdis. Anglies pluošto kompozitas yra anizotropinis – savybės priklauso nuo pluošto krypties – ir sujungiamas klijais. Titano tankis yra 4.43 g/cm³, palyginti su anglies pluošto 1.55 g/cm³, t. y. beveik 3 kartus sunkesnis. Tačiau titano tempiamasis stipris (900–1,000 MPa) ir standumas (110 GPa) yra vienodi visomis kryptimis, o anglies pluoštas geriausias savybes pasiekia tik pluošto kryptimi.
1 matmuo: savitasis stiprumas ir standumas
Anglies pluošto savitasis stipris (stipris/tankis) yra 500–800 MPa/(g/cm³), palyginti su titano 200–230 – anglies pluoštas yra 2.5–3.5 karto didesnis. Savitasis standumas: anglies pluošto 25–35 GPa/(g/cm³), palyginti su titano 25 GPa/(g/cm³) – panašus arba šiek tiek geresnis kvazizotropiniame išdėstyme. Svarbiausias niuansas: šie anglies pluošto skaičiai daro prielaidą, kad pluošto orientacija yra optimizuota. Sudėtingoje 3D įtempio būsenoje, kai apkrovos ateina iš daugelio krypčių, titano izotropija gali padaryti jį geresniu pasirinkimu.
2 matmuo: Nuovargis ir atsparumas pažeidimams
Anglies pluošto nuovargio atsparumas iš esmės yra neribotas, kai didžiausi įtempiai išlieka mažesni nei 60–70 % didžiausio stiprumo. Titano nuovargio atsparumas yra ribotas. Didelio cikliškumo taikymams (robotų gamyboje, orlaiviuose, protezuose) anglies pluošto atsparumas nuovargiui yra lemiamas. Tačiau titanas sugeria smūgio energiją per plastinę deformaciją – anglies pluoštas gali išlaikyti paslėptą smūgių sukeltą delaminaciją, nepalikdamas paviršiaus žymių. Taikymuose, kuriems būdingas atsparumas pažeidimams, laimi titano atsparumas pažeidimams.
3 aspektas: Kaina ir gaminamumas
Titano ruošinys kainuoja 30–50 USD/kg; gatavos dalys kainuoja 200–500 USD/kg dėl lėto apdirbimo. Anglies pluošto prepregas kainuoja 40–90 USD/kg; gatavos dalys, surinktos rankomis, kainuoja 150–400 USD/kg. Paprastoms formoms titano apdirbimas gali būti pigesnis. Sudėtingoms integruotoms konstrukcijoms anglies pluošto dalių konsolidavimas dažnai sumažina bendrą sistemos kainą.
Sprendimų matrica
| Reikalavimas | Anglies pluošto | titanas |
|---|---|---|
| Maksimalus svorio sumažinimas | Geriausias (1.55 g/cm³) | Geras (4.43 g/cm³) |
| Didelis nuovargio tarnavimo laikas (10 mln.+ ciklų) | Puikus (begalinis) | Sąžiningas (ribotas gyvenimas) |
| Smūgio / pažeidimo atsparumas | Pakankamas (paslėpta žala) | Puikus (plastinė deformacija) |
| Aukšta temperatūra (>150 °C) | Prastas (ribotas epoksidinės dervos poveikis) | Puikus (iki 400°C) |
| Sudėtinga 3D įtempio būsena | Sąžininga (anizotropinė) | Puikus (izotropinis) |
| Masinė gamyba (>10 tūkst. per metus) | Geras (liejimas) | Patenkinamas (lėtas apdirbimas) |
| Reikalingas elektrinis laidumas | Ne (izoliatorius) | Taip (dirigentas) |
CFRP TSTAR gamina anglies pluošto komponentus su optimizuotais klojimo grafikais, siekiant maksimalaus savitojo standumo ir atsparumo nuovargiui. Mes teikiame sąžiningas medžiagų pasirinkimo rekomendacijas – jei titanas jūsų pritaikymui geresnis, mes tai pasakysime.
