Fibra de carbono vs aluminio

La fibra de carbono está reemplazando al aluminio en una variedad cada vez mayor de aplicaciones y lo ha estado haciendo durante las últimas décadas. Estas fibras son conocidas por su excepcional resistencia y rigidez y también son extremadamente ligeras. Los hilos de fibra de carbono se combinan con varias resinas para crear materiales compuestos. Estos materiales compuestos aprovechan las propiedades tanto de la fibra como de la resina. Este artículo proporciona una comparación de las propiedades de la fibra de carbono frente al aluminio, junto con algunos pros y contras de cada material.

Fibra de carbono vs aluminio medido

A continuación se muestran las definiciones de las diferentes propiedades utilizadas para comparar los dos materiales:

Módulo de elasticidad = La "rigidez" de un material. La relación de tensión a deformación de un material. La pendiente de la curva de tensión vs deformación de un material en su región elástica.

Resistencia máxima a la tracción = la tensión máxima que puede soportar un material antes de romperse.

Densidad = masa del material por unidad de volumen.

Rigidez específica = Módulo de elasticidad dividido por la densidad del material. Se utiliza para comparar materiales con densidades diferentes.

Resistencia a la tracción específica = Resistencia a la tracción dividida por la densidad del material.

Con esta información en mente, la siguiente tabla compara la fibra de carbono y el aluminio.

Nota: muchos factores pueden afectar estos números. Estas son generalizaciones; no medidas absolutas. Por ejemplo, se encuentran disponibles diferentes materiales de fibra de carbono con mayor rigidez o resistencia, a menudo con una compensación en la reducción de otras propiedades.

Medición Fibra de carbon Aluminio Carbono / Aluminio
Comparación
Módulo de elasticidad (E) GPa 70 68,9 100%
Resistencia a la tracción (σ) MPa 1035 450 230%
Densidad (ρ) g / cm3 1,6 2,7 59%
Rigidez específica (E / ρ) 43,8 25,6 171%
Resistencia a la tracción específica (σ / ρ) 647 166 389%

Este gráfico muestra que la fibra de carbono tiene una resistencia a la tracción específica de aproximadamente 3,8 veces la del aluminio y una rigidez específica de 1,71 veces la del aluminio.

Comparación de las propiedades térmicas de la fibra de carbono y el aluminio

Dos propiedades más que muestran las diferencias entre la fibra de carbono y el aluminio son la expansión térmica y la conductividad térmica.

La expansión térmica describe cómo cambian las dimensiones de un material cuando cambian las temperaturas.

Medición Fibra de carbon Aluminio Aluminio / Carbono
Comparación
Expansión térmica 2 pulg / pulg / ° F 13 pulg / pulg / ° F 6.5

El aluminio tiene aproximadamente seis veces la expansión térmica de la fibra de carbono.

Pros y contras

Al diseñar materiales y sistemas avanzados, los ingenieros deben determinar qué propiedades del material son más importantes para aplicaciones específicas. Cuando importa una alta resistencia a peso o una alta rigidez a peso, la fibra de carbono es la opción obvia. En términos de diseño estructural, cuando el peso adicional podría acortar los ciclos de vida o conducir a un rendimiento deficiente, los diseñadores deberían considerar la fibra de carbono como el mejor material de construcción. Cuando la tenacidad es fundamental, la fibra de carbono se combina fácilmente con otros materiales para obtener las características necesarias.

Las propiedades de baja expansión térmica de la fibra de carbono son una ventaja significativa a la hora de crear productos que requieren un alto grado de precisión y estabilidad dimensional en condiciones donde las temperaturas fluctúan: dispositivos ópticos, escáneres 3D, telescopios, etc.

También existen algunas desventajas al usar fibra de carbono. La fibra de carbono no cede. Bajo carga, la fibra de carbono se doblará pero no se adaptará permanentemente a la nueva forma (elástica). Una vez que se excede la resistencia máxima a la tracción del material de fibra de carbono, la fibra de carbono falla repentinamente. Los ingenieros deben comprender este comportamiento e incluir factores de seguridad para tenerlo en cuenta al diseñar productos. Las piezas de fibra de carbono también son significativamente más caras que el aluminio debido al alto costo de producir fibra de carbono y la gran habilidad y experiencia involucradas en la creación de piezas compuestas de alta calidad.


Hora de publicación: Jun-24-2021