Fibre de carbone vs aluminium

La fibre de carbone remplace l'aluminium dans une variété croissante d'applications et ce depuis quelques décennies. Ces fibres sont connues pour leur résistance et leur rigidité exceptionnelles et sont également extrêmement légères. Les brins de fibre de carbone sont combinés avec diverses résines pour créer des matériaux composites. Ces matériaux composites tirent parti des propriétés à la fois de la fibre et de la résine. Cet article fournit une comparaison des propriétés de la fibre de carbone par rapport à l'aluminium, ainsi que quelques avantages et inconvénients de chaque matériau.

Fibre de carbone vs aluminium mesuré

Voici les définitions des différentes propriétés utilisées pour comparer les deux matériaux :

Module d'élasticité = La « rigidité » d'un matériau. Le rapport entre la contrainte et la déformation d'un matériau. La pente de la courbe contrainte/déformation pour un matériau dans sa région élastique.

Résistance ultime à la traction = la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se rompre.

Densité = masse du matériau par unité de volume.

Rigidité spécifique = Module d'élasticité divisé par la densité du matériau. Utilisé pour comparer des matériaux avec des densités différentes.

Résistance à la traction spécifique = Résistance à la traction divisée par la densité du matériau.

Avec ces informations à l'esprit, le tableau suivant compare la fibre de carbone et l'aluminium.

Remarque : De nombreux facteurs peuvent affecter ces chiffres. Ce sont des généralisations ; pas des mesures absolues. Par exemple, différents matériaux en fibre de carbone sont disponibles avec une rigidité ou une résistance plus élevée, souvent avec un compromis en termes de réduction d'autres propriétés.

La mesure Fibre de carbone Aluminium Carbone/Aluminium
Comparaison
Module d'élasticité (E) GPa 70 68,9 100%
Résistance à la traction (σ) MPa 1035 450 230 %
Densité (ρ) g/cm3 1.6 2.7 59%
Rigidité spécifique (E/ρ) 43,8 25,6 171%
Résistance à la traction spécifique (σ /ρ) 647 166 389%

Ce graphique montre que la fibre de carbone a une résistance à la traction spécifique d'environ 3,8 fois celle de l'aluminium et une rigidité spécifique de 1,71 fois celle de l'aluminium.

Comparaison des propriétés thermiques de la fibre de carbone et de l'aluminium

Deux autres propriétés qui montrent les différences entre la fibre de carbone et l'aluminium sont la dilatation thermique et la conductivité thermique.

La dilatation thermique décrit comment les dimensions d'un matériau changent lorsque les températures changent.

La mesure Fibre de carbone Aluminium Aluminium/Carbone
Comparaison
Dilatation thermique 2 po/po/°F 13 po/po/°F 6.5

L'aluminium a environ six fois la dilatation thermique de la fibre de carbone.

Avantages et inconvénients

Lors de la conception de matériaux et de systèmes avancés, les ingénieurs doivent déterminer quelles propriétés des matériaux sont les plus importantes pour des applications spécifiques. Lorsqu'une résistance élevée au poids ou une rigidité élevée au poids est importante, la fibre de carbone est le choix évident. En termes de conception structurelle, lorsqu'un poids supplémentaire pourrait raccourcir les cycles de vie ou entraîner de mauvaises performances, les concepteurs devraient se tourner vers la fibre de carbone comme meilleur matériau de construction. Lorsque la ténacité est essentielle, la fibre de carbone se combine facilement avec d'autres matériaux pour obtenir les caractéristiques nécessaires.

Les propriétés de faible dilatation thermique de la fibre de carbone sont un avantage significatif lors de la création de produits nécessitant un degré élevé de précision et de stabilité dimensionnelle dans des conditions où les températures fluctuent : dispositifs optiques, scanners 3D, télescopes, etc.

Il y a aussi quelques inconvénients à utiliser la fibre de carbone. La fibre de carbone ne cède pas. Sous charge, la fibre de carbone se pliera mais ne se conformera pas de façon permanente à la nouvelle forme (élastique). Une fois que la résistance à la traction ultime du matériau en fibre de carbone est dépassée, la fibre de carbone se rompt soudainement. Les ingénieurs doivent comprendre ce comportement et inclure des facteurs de sécurité pour en tenir compte lors de la conception des produits. Les pièces en fibre de carbone sont également beaucoup plus chères que l'aluminium en raison du coût élevé de production de la fibre de carbone et de la grande compétence et expérience nécessaires à la création de pièces composites de haute qualité.


Heure de publication : 24 juin-2021