Fibra di carbonio contro 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 di fibra di carbonio vengono 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 tra le proprietà della fibra di carbonio e dell'alluminio, insieme ad alcuni pro e contro di ciascun materiale.

Misurazione di fibra di carbonio e alluminio

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 stress e deformazione per un materiale. La pendenza della curva sforzo/deformazione per un materiale nella sua regione elastica.

Carico di rottura massimo = lo stress massimo 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 diverse.

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

Tenendo presente queste informazioni, la tabella seguente mette a confronto la fibra di carbonio e l'alluminio.

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

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 le dimensioni di un materiale cambiano al variare della temperatura.

L’alluminio ha circa sei volte la dilatazione termica della fibra di carbonio.

Pro e contro

Quando si progettano materiali e sistemi avanzati, gli ingegneri devono determinare quali proprietà dei materiali sono più importanti per applicazioni specifiche. Quando sono importanti l’elevata resistenza/peso o l’elevata rigidità/peso, la fibra di carbonio è la scelta più ovvia. In termini di progettazione strutturale, quando il peso aggiuntivo potrebbe abbreviare i cicli di vita o portare a scarse prestazioni, i progettisti dovrebbero considerare la fibra di carbonio come il materiale da costruzione migliore. Quando la tenacità è fondamentale, la fibra di carbonio si abbina facilmente ad altri materiali per ottenere le caratteristiche necessarie.

Le proprietà di bassa espansione termica della fibra di carbonio rappresentano un vantaggio significativo quando si creano prodotti che richiedono un elevato grado di precisione e stabilità dimensionale in condizioni di temperature fluttuanti: 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 conformerà permanentemente alla nuova forma (elastica). Una volta superata la resistenza alla trazione finale del materiale in fibra di carbonio, la fibra di carbonio cede 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 del costo elevato per la produzione della fibra di carbonio e della grande abilità ed esperienza coinvolte nella creazione di parti composite di alta qualità.