Fibra de carbono versus 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 livianas. 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 algunas ventajas y desventajas de cada material.

Medición de fibra de carbono versus aluminio

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

Módulo de elasticidad = La “rigidez” de un material. La relación entre tensión y deformación de un material. La pendiente de la curva tensión versus deformación de un material en su región elástica.

Resistencia máxima a la tracción = la tensión máxima que un material puede soportar 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, el siguiente cuadro compara la fibra de carbono y el aluminio.

Nota: Muchos factores pueden afectar estos números. Éstas son generalizaciones; No medidas absolutas. Por ejemplo, se encuentran disponibles diferentes materiales de fibra de carbono con mayor rigidez o resistencia, a menudo con la desventaja de reducir otras propiedades.

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.

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 relación resistencia-peso o una alta rigidez-peso, la fibra de carbono es la opción obvia. En términos de diseño estructural, cuando el peso añadido podría acortar los ciclos de vida o provocar un rendimiento deficiente, los diseñadores deberían considerar la fibra de carbono como el mejor material de construcción. Cuando la dureza 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 utilizar 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 las de aluminio debido al alto costo de producir fibra de carbono y a la gran habilidad y experiencia involucradas en la creación de piezas compuestas de alta calidad.