Fibra de carbono vs aluminio

A fibra de carbono está a substituír ao aluminio nunha variedade cada vez maior de aplicacións e vén facendoo 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 tanto da fibra como 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

A continuación móstranse as definicións das diferentes propiedades utilizadas para comparar os dous materiais:

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

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

Densidade = masa do material por unidade de volume.

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

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

Tendo en conta esta información, o seguinte gráfico compara fibra de carbono e aluminio.

Nota: moitos factores poden afectar estes números. Estas son xeneralizacións; non medidas absolutas. Por exemplo, están dispoñibles diferentes materiais de fibra de carbono con maior rixidez ou resistencia, moitas veces cunha compensación na redución doutras propiedades.

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.

Comparando as 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.

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

Pros e contras

Ao deseñar materiais e sistemas avanzados, os enxeñeiros deben determinar cales son as propiedades dos materiais máis importantes para aplicacións específicas. Cando importa a alta resistencia ao peso ou a alta rixidez ao peso, a fibra de carbono é a opción obvia. En termos de deseño estrutural, cando o peso engadido pode acurtar os ciclos de vida ou levar a un rendemento deficiente, os deseñadores deberían buscar a fibra de carbono como o mellor material de construción. Cando a tenacidade 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 importante á hora de crear produtos que requiren un alto grao de precisión, e estabilidade dimensional en condicións onde as temperaturas flutúan: dispositivos ópticos, escáneres 3D, telescopios, etc.

Tamén hai algunhas desvantaxes ao usar fibra de carbono. A fibra de carbono non cede. Baixo carga, a fibra de carbono dobrarase pero non se adaptará permanentemente á nova forma (elástica). Unha vez que se supera a resistencia máxima á tracción 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 telos 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.