Fibra de carboni vs alumini

La fibra de carboni està substituint l'alumini en una varietat creixent d'aplicacions i ho ha estat fent durant les últimes 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 tant de la fibra com de la resina. Aquest article proporciona una comparació de les propietats de la fibra de carboni versus 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 utilitzades per comparar els dos materials:

Mòdul d'elasticitat = La "rigidesa" d'un material. La relació entre la tensió i la deformació d'un material. El pendent de la corba de tensió vs deformació per a un material a la seva regió elàstica.

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

Densitat = 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.

Tenint en compte aquesta informació, el següent gràfic compara la fibra de carboni i l'alumini.

Nota: molts factors poden afectar aquests números. Aquestes són generalitzacions; no mesures absolutes. Per exemple, hi ha diferents materials de fibra de carboni disponibles amb major rigidesa o resistència, sovint amb una compensació en la reducció d'altres propietats.

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

Comparant les propietats tèrmiques de la fibra de carboni i l'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.

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

Pros i contres

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

Les propietats de baixa expansió tèrmica de la fibra de carboni són un avantatge important a l'hora de crear productes que requereixen un alt grau de precisió i estabilitat dimensional en condicions de fluctuació de temperatures: dispositius òptics, escàners 3D, telescopis, etc.

També hi ha alguns desavantatges en utilitzar fibra de carboni. La fibra de carboni no cedeix. Sota càrrega, la fibra de carboni es doblegarà però no s'ajustarà permanentment a la nova forma (elàstica). Un cop superada la resistència a la tracció màxima del material de fibra de carboni, la fibra de carboni falla de sobte. 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 cares que l'alumini a causa de l'alt cost de producció de fibra de carboni i de la gran habilitat i experiència que implica la creació de peces compostes d'alta qualitat.