Πόσο ισχυρές είναι οι ίνες άνθρακα;

Τα πιο πολύτιμα χαρακτηριστικά των ανθρακονημάτων είναι η αντοχή, η ακαμψία και το ελαφρύ τους. Το ανθρακονήματα είναι κατασκευασμένο από πολύ λεπτά, κρυσταλλικά νημάτια άνθρακα σε «ρυμούλες», τα οποία περιέχουν χιλιάδες μεμονωμένα νήματα. Αυτά τα νήματα που μοιάζουν με νήματα υφαίνονται μεταξύ τους σε ύφασμα από διάφορες πλέξεις. Όταν τα στρώματα υφάσματος από ανθρακονήματα συνδέονται μεταξύ τους, σε μια πλάκα ή φύλλο από ανθρακονήματα, το έλασμα από ανθρακονήματα είναι εξαιρετικά ισχυρό. Πόσο δυνατό είναι λοιπόν;

Η δύναμη των ινών άνθρακα

Οι ίνες άνθρακα είναι δύο φορές πιο άκαμπτες και πέντε φορές ισχυρότερες από τον χάλυβα. Αν και είναι ισχυρότερες και πιο άκαμπτες από τον ανοξείδωτο χάλυβα, οι ίνες άνθρακα είναι ελαφρύτερες, γεγονός που τις καθιστά ιδανικό υλικό κατασκευής.

Ταξινόμηση της ακαμψίας και της αντοχής των ινών άνθρακα

Ο συντελεστής εφελκυσμού ορίζεται ως "ο λόγος της τάσης (δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας) κατά μήκος ενός άξονα προς την τάση (αναλογία παραμόρφωσης ως προς το αρχικό μήκος) κατά μήκος αυτού του άξονα." Επίσης γνωστό ως ακαμψία, ο συντελεστής εφελκυσμού μπορεί να προβλέψει την επιμήκυνση ή τη συμπίεση του υλικού, εφόσον η τάση είναι μικρότερη από την αντοχή εφελκυσμού του υλικού.

Οι ίνες άνθρακα ταξινομούνται με βάση το μέτρο εφελκυσμού των ινών. Η αγγλική μονάδα μέτρησης είναι λίβρες δύναμης ανά τετραγωνική ίντσα επιφάνειας διατομής, που συντομεύεται ως psi (ή ksi για χιλιάδες psi και MSI για εκατομμύρια psi). Υπάρχουν πέντε ταξινομήσεις ανθρακονημάτων: χαμηλός συντελεστής, τυπικός συντελεστής, ενδιάμεσος συντελεστής, υψηλός συντελεστής και εξαιρετικά υψηλός συντελεστής.

Η ακαμψία και η αντοχή ενός ελασματοποιημένου εποξειδικού φύλλου ή πλάκας από ανθρακονήματα καθορίζονται από:

Οι ιδιότητες του υλικού από ανθρακονήματα

Το χρονοδιάγραμμα τοποθέτησης των ινών (προσανατολισμός ινών, τύπος ύφανσης και πάχος στρώσεων laminate)

Η αναλογία ινών/ρητίνης

Μια καλή εκτίμηση για το συντελεστή εφελκυσμού για ένα ισορροπημένο, συμμετρικό χρονοδιάγραμμα layup 0/90 μοίρες θα ήταν 10 MSi (70 GPA). Μια καλή εκτίμηση για την αντοχή σε εφελκυσμό για την ίδια διάταξη θα ήταν 87 KSI (600 MPA).

Συγκριτικά, ο χάλυβας έχει συντελεστή εφελκυσμού περίπου 29 MSI (200 GPa) και αντοχή εφελκυσμού 61 KSI (420 MPA ). Ο συντελεστής εφελκυσμού του αλουμινίου είναι περίπου 10 MSI (69 GPa) και η αντοχή εφελκυσμού είναι 40 KSI (276 MPA)

Όπως φαίνεται από τον παρακάτω πίνακα, το πολυστρωματικό υλικό από ανθρακονήματα έχει την υψηλότερη ειδική αντοχή εφελκυσμού και την υψηλότερη ειδική ακαμψία

Οι ίνες άνθρακα εξαιρετικά υψηλού συντελεστή είναι περίπου 3 φορές πιο άκαμπτες από τον τυπικό συντελεστή, αλλά δεν είναι τόσο ισχυρές. Επιπλέον, οι ίνες άνθρακα έχουν ανώτερες ιδιότητες αντοχής στην κόπωση σε σύγκριση με τον χάλυβα και το αλουμίνιο. Επίσης, όταν συνδυάζονται με κατάλληλες ρητίνες, οι ίνες άνθρακα είναι από τα πιο ανθεκτικά στη διάβρωση υλικά της αγοράς.