Fibra di carbonio vs alluminio

La fibra di carbonio sta sostituendo l'alluminio in una crescente varietà di applicazioni e lo ha fatto negli ultimi decenni. Queste fibre sono note per la loro eccezionale resistenza e rigidità e sono anche estremamente leggere. I fili in fibra di carbonio sono combinati con varie resine per creare materiali compositi. Questi materiali compositi sfruttano le proprietà sia della fibra che della resina. Questo articolo fornisce un confronto delle proprietà della fibra di carbonio rispetto all'alluminio, insieme ad alcuni pro e contro di ciascun materiale.

Fibra di carbonio vs alluminio misurato

Di seguito sono riportate le definizioni delle diverse proprietà utilizzate per confrontare i due materiali:

Modulo di elasticità = La “rigidità” di un materiale. Il rapporto tra sollecitazione e deformazione per un materiale. La pendenza della curva sforzo/deformazione per un materiale nella sua regione elastica.

Resistenza alla trazione massima = la massima sollecitazione che un materiale può sopportare prima di rompersi.

Densità = massa del materiale per unità di volume.

Rigidità specifica = Modulo di elasticità diviso per la densità del materiale. Utilizzato per confrontare materiali con densità dissimili.

Resistenza alla trazione specifica = Resistenza alla trazione divisa per la densità del materiale.

Con queste informazioni in mente, il grafico seguente confronta la fibra di carbonio e l'alluminio.

Nota: molti fattori possono influenzare questi numeri. Queste sono generalizzazioni; non misure assolute. Ad esempio, sono disponibili diversi materiali in fibra di carbonio con maggiore rigidità o resistenza, spesso con un compromesso nella riduzione di altre proprietà.

Misura Fibra di carbonio Alluminio Carbonio/Alluminio
Confronto
Modulo di elasticità (E) GPa 70 68.9 100%
Resistenza alla trazione (σ) MPa 1035 450 230%
Densità (ρ) g/cm3 1.6 2.7 59%
Rigidità specifica (E/ρ) 43,8 25.6 171%
Resistenza alla trazione specifica (σ /ρ) 647 166 389%

Questo grafico mostra che la fibra di carbonio ha una resistenza alla trazione specifica di circa 3,8 volte quella dell'alluminio e una rigidità specifica di 1,71 volte quella dell'alluminio.

Confronto delle proprietà termiche della fibra di carbonio e dell'alluminio

Altre due proprietà che mostrano le differenze tra fibra di carbonio e alluminio sono l'espansione termica e la conduttività termica.

L'espansione termica descrive come cambiano le dimensioni di un materiale al variare della temperatura.

Misura Fibra di carbonio Alluminio Alluminio/Carbone
Confronto
Dilatazione termica 2 pollici/pollici/°F 13 pollici/pollici/°F 6.5

L'alluminio ha circa sei volte l'espansione termica della fibra di carbonio.

Pro e contro

Durante la progettazione di materiali e sistemi avanzati, gli ingegneri devono determinare quali proprietà dei materiali sono più importanti per applicazioni specifiche. Quando l'elevata resistenza al peso o l'elevata rigidità al peso sono importanti, la fibra di carbonio è la scelta più ovvia. In termini di progettazione strutturale, quando il peso aggiunto potrebbe ridurre i cicli di vita o portare a prestazioni scadenti, i progettisti dovrebbero considerare la fibra di carbonio come il miglior materiale da costruzione. Quando la tenacità è essenziale, la fibra di carbonio si combina facilmente con altri materiali per ottenere le caratteristiche necessarie.

Le proprietà di bassa dilatazione termica della fibra di carbonio sono un vantaggio significativo nella creazione di prodotti che richiedono un alto grado di precisione e stabilità dimensionale in condizioni di fluttuazioni di temperatura: dispositivi ottici, scanner 3D, telescopi, ecc.

Ci sono anche alcuni svantaggi nell'utilizzo della fibra di carbonio. La fibra di carbonio non cede. Sotto carico, la fibra di carbonio si piegherà ma non si adatterà in modo permanente alla nuova forma (elastica). Una volta superata la resistenza alla trazione massima del materiale in fibra di carbonio, la fibra di carbonio si rompe improvvisamente. Gli ingegneri devono comprendere questo comportamento e includere fattori di sicurezza per tenerne conto durante la progettazione dei prodotti. Le parti in fibra di carbonio sono anche significativamente più costose dell'alluminio a causa dell'alto costo di produzione della fibra di carbonio e della grande abilità ed esperienza coinvolte nella creazione di parti composite di alta qualità.


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