Fibra de Carbono vs Alumínio

A fibra de carbono está substituindo o alumínio em uma variedade cada vez maior de aplicações e tem feito isso nas últimas décadas. Estas fibras são conhecidas pela sua excepcional resistência e rigidez e também são extremamente leves. Fios de fibra de carbono são combinados com várias resinas para criar materiais compósitos. Esses materiais compósitos aproveitam as propriedades da fibra e da resina. Este artigo fornece uma comparação das propriedades da fibra de carbono versus alumínio, juntamente com alguns prós e contras de cada material.

Fibra de carbono vs alumínio medido

Abaixo estão as definições das diferentes propriedades usadas para comparar os dois materiais:

Módulo de elasticidade = A “rigidez” de um material. A relação entre tensão e deformação de um material. A inclinação da curva tensão versus deformação para um material em sua região elástica.

Resistência à tração máxima = a tensão máxima que um material pode suportar antes de quebrar.

Densidade = massa do material por unidade de volume.

Rigidez específica = Módulo de elasticidade dividido pela densidade do material. Usado para comparar materiais com densidades diferentes.

Resistência à tração específica = Resistência à tração dividida pela densidade do material.

Com essas informações em mente, o gráfico a seguir compara fibra de carbono e alumínio.

Nota: Muitos fatores podem afetar esses números. Estas são generalizações; não medidas absolutas. Por exemplo, diferentes materiais de fibra de carbono estão disponíveis com maior rigidez ou resistência, muitas vezes com uma compensação na redução de outras propriedades.

Este gráfico mostra que a fibra de carbono tem uma resistência à tração específica de aproximadamente 3,8 vezes a do alumínio e uma rigidez específica de 1,71 vezes a do alumínio.

Comparando propriedades térmicas de fibra de carbono e alumínio

Mais duas propriedades que mostram as diferenças entre a fibra de carbono e o alumínio são a expansão térmica e a condutividade térmica.

A expansão térmica descreve como as dimensões de um material mudam quando as temperaturas mudam.

O alumínio tem aproximadamente seis vezes a expansão térmica da fibra de carbono.

Prós e Contras

Ao projetar materiais e sistemas avançados, os engenheiros devem determinar quais propriedades dos materiais são mais importantes para aplicações específicas. Quando alta resistência/peso ou alta rigidez/peso é importante, a fibra de carbono é a escolha óbvia. Em termos de design estrutural, quando o peso adicional pode encurtar os ciclos de vida ou levar a um mau desempenho, os projetistas devem considerar a fibra de carbono como o melhor material de construção. Quando a tenacidade é essencial, a fibra de carbono é facilmente combinada com outros materiais para obter as características necessárias.

As propriedades de baixa expansão térmica da fibra de carbono são uma vantagem significativa na criação de produtos que exigem um alto grau de precisão e estabilidade dimensional em condições onde as temperaturas flutuam: dispositivos ópticos, scanners 3D, telescópios, etc.

Existem também algumas desvantagens no uso de fibra de carbono. A fibra de carbono não cede. Sob carga, a fibra de carbono dobrará, mas não se adaptará permanentemente ao novo formato (elástico). Uma vez excedida a resistência à tração máxima do material de fibra de carbono, a fibra de carbono falha repentinamente. Os engenheiros devem compreender esse comportamento e incluir fatores de segurança para considerá-lo ao projetar produtos. As peças de fibra de carbono também são significativamente mais caras que o alumínio devido ao alto custo para produzir fibra de carbono e à grande habilidade e experiência envolvidas na criação de peças compostas de alta qualidade.