Fibra de carbono vs aluminio

A fibra de carbono substitúe o aluminio nunha variedade crecente de aplicacións e faino durante as últimas décadas. Estas fibras son coñecidas pola súa excepcional resistencia e rixidez e tamén son extremadamente lixeiras. Os fíos de fibra de carbono combínanse con varias resinas para crear materiais compostos. Estes materiais compostos aproveitan as propiedades da fibra e da resina. Este artigo ofrece unha comparación das propiedades da fibra de carbono fronte ao aluminio, xunto con algúns pros e contras de cada material.

Fibra de carbono vs aluminio medido

Abaixo amósanse as definicións das diferentes propiedades empregadas para comparar os dous materiais:

Módulo de elasticidade = A "rixidez" dun material. A proporción de tensión e tensión dun material. A pendente da curva tensión vs deformación dun material na súa rexión elástica.

Resistencia á tracción máxima = a tensión máxima que pode soportar un material antes de romper.

Densidade = masa do material por unidade de volume.

Rixidez específica = Módulo de elasticidade dividido pola densidade do material. Utilízase para comparar materiais con densidades diferentes.

Resistencia á tracción específica = Resistencia á tracción dividida pola densidade do material.

Con esta información en mente, o seguinte gráfico compara a fibra de carbono e o aluminio.

Nota: moitos factores poden afectar a estas cifras. Estas son xeneralizacións; non medidas absolutas. Por exemplo, hai diferentes materiais de fibra de carbono dispoñibles con maior rixidez ou resistencia, a miúdo cunha compensación na redución doutras propiedades.

Medición Fibra de carbono Aluminio Carbono / aluminio
Comparación
Módulo de elasticidade (E) GPa 70 68,9 100%
Resistencia á tracción (σ) MPa 1035 450 230%
Densidade (ρ) g / cm3 1.6 2.7 59%
Rixidez específica (E / ρ) 43,8 25.6 171%
Resistencia á tracción específica (σ / ρ) 647 166 389%

Este gráfico mostra que a fibra de carbono ten unha resistencia á tracción específica de aproximadamente 3,8 veces a do aluminio e unha rixidez específica de 1,71 veces a do aluminio.

Comparación das propiedades térmicas da fibra de carbono e do aluminio

Dúas propiedades máis que mostran as diferenzas entre a fibra de carbono e o aluminio son a expansión térmica e a condutividade térmica.

A expansión térmica describe como cambian as dimensións dun material cando cambian as temperaturas.

Medición Fibra de carbono Aluminio Aluminio / carbono
Comparación
Expansión térmica 2 in / in / ° F 13 in / in / ° F 6.5

O aluminio ten aproximadamente seis veces a expansión térmica da fibra de carbono.

Pros e contras

Cando deseñan sistemas e materiais avanzados, os enxeñeiros deben determinar que propiedades de material son máis importantes para aplicacións específicas. Cando a resistencia ao peso ou a alta rixidez ao peso son importantes, a fibra de carbono é a elección obvia. En termos de deseño estrutural, cando o peso engadido pode acurtar os ciclos de vida ou levar a un rendemento deficiente, os deseñadores deben considerar a fibra de carbono como o mellor material de construción. Cando a resistencia é esencial, a fibra de carbono combínase facilmente con outros materiais para obter as características necesarias.

As baixas propiedades de expansión térmica da fibra de carbono son unha vantaxe significativa á hora de crear produtos que requiren un alto grao de precisión e estabilidade dimensional en condicións onde as temperaturas fluctúan: dispositivos ópticos, escáneres 3D, telescopios, etc.

Tamén hai algunhas desvantaxes no uso de fibra de carbono. A fibra de carbono non cede. Baixo a carga, a fibra de carbono dobrarase pero non se axustará permanentemente á nova forma (elástica). Unha vez superada a resistencia á tracción máxima do material de fibra de carbono, a fibra de carbono falla de súpeto. Os enxeñeiros deben comprender este comportamento e incluír factores de seguridade para telo en conta ao deseñar produtos. As pezas de fibra de carbono tamén son significativamente máis caras que o aluminio debido ao alto custo de producir fibra de carbono e á gran habilidade e experiencia que implica a creación de pezas compostas de alta calidade.


Tempo de publicación: 24 de xuño de 2121