Fibra de carboni vs alumini

La fibra de carboni substitueix l’alumini en una creixent varietat d’aplicacions i ho ha fet durant les darreres dècades. Aquestes fibres són conegudes per la seva resistència i rigidesa excepcionals i també són extremadament lleugeres. Els fils de fibra de carboni es combinen amb diverses resines per crear materials compostos. Aquests materials compostos aprofiten les propietats de la fibra i de la resina. Aquest article proporciona una comparació de les propietats de la fibra de carboni enfront de l’alumini, juntament amb alguns pros i contres de cada material.

Fibra de carboni vs alumini mesurat

A continuació es mostren les definicions de les diferents propietats que s’utilitzen per comparar els dos materials:

Mòdul d’elasticitat = La “rigidesa” d’un material. Relació d’esforç i deformació d’un material. El pendent de la corba de tensió vs deformació d’un material a la seva regió elàstica.

Resistència a la tracció màxima = la tensió màxima que pot suportar un material abans de trencar-se.

Densitat = la massa del material per unitat de volum.

Rigidesa específica = Mòdul d’elasticitat dividit per la densitat del material. S’utilitza per comparar materials amb densitats diferents.

Resistència a la tracció específica = Resistència a la tracció dividida per la densitat del material.

Amb aquesta informació en ment, el gràfic següent compara la fibra de carboni i l’alumini.

Nota: Molts factors poden afectar aquestes xifres. Són generalitzacions; no mesures absolutes. Per exemple, hi ha disponibles diferents materials de fibra de carboni amb més rigidesa o resistència, sovint amb una compensació en la reducció d'altres propietats.

Mesura Fibra de carboni Alumini Carboni / alumini
Comparació
Mòdul d’elasticitat (E) GPa 70 68,9 100%
Resistència a la tracció (σ) MPa 1035 450 230%
Densitat (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Rigidesa específica (E / ρ) 43,8 25,6 171%
Resistència a la tracció específica (σ / ρ) 647 166 389%

Aquest gràfic mostra que la fibra de carboni té una resistència a la tracció específica aproximadament 3,8 vegades la de l’alumini i una rigidesa específica 1,71 vegades la de l’alumini.

Comparació de propietats tèrmiques de fibra de carboni i alumini

Dues propietats més que mostren les diferències entre la fibra de carboni i l'alumini són l'expansió tèrmica i la conductivitat tèrmica.

L’expansió tèrmica descriu com canvien les dimensions d’un material quan canvien les temperatures.

Mesura Fibra de carboni Alumini Alumini / carboni
Comparació
Expansió tèrmica 2 polzades / polzades / ° F 13 polzades / polzades / ° F 6.5

L’alumini té aproximadament sis vegades l’expansió tèrmica de la fibra de carboni.

Pros i contres

A l’hora de dissenyar sistemes i materials avançats, els enginyers han de determinar quines propietats del material són més importants per a aplicacions específiques. Quan la resistència al pes o la rigidesa al pes són importants, la fibra de carboni és l'elecció òbvia. Pel que fa al disseny estructural, quan el pes afegit podria escurçar els cicles de vida o comportar un rendiment baix, els dissenyadors haurien de considerar la fibra de carboni com el millor material de construcció. Quan la resistència és essencial, la fibra de carboni es combina fàcilment amb altres materials per obtenir les característiques necessàries.

Les baixes propietats d’expansió tèrmica de la fibra de carboni són un avantatge significatiu a l’hora de crear productes que requereixen un alt grau de precisió i estabilitat dimensional en condicions on fluctuen les temperatures: dispositius òptics, escàners 3D, telescopis, etc.

També hi ha alguns desavantatges a l’hora d’utilitzar fibra de carboni. La fibra de carboni no cedeix. Sota càrrega, la fibra de carboni es doblegarà però no s’adaptarà permanentment a la nova forma (elàstica). Un cop superada la resistència a la tracció final del material de fibra de carboni, la fibra de carboni falla sobtadament. Els enginyers han d’entendre aquest comportament i incloure factors de seguretat per tenir-ne en compte a l’hora de dissenyar productes. Les peces de fibra de carboni també són significativament més costoses que l’alumini a causa de l’elevat cost de producció de fibra de carboni i de la gran habilitat i experiència que suposa la creació de peces compostes d’alta qualitat.


Hora de publicació: 24 de juny de 2121