Fibră de carbon vs aluminiu

Fibra de carbon înlocuiește aluminiul într-o varietate tot mai mare de aplicații și a făcut acest lucru în ultimele decenii. Aceste fibre sunt cunoscute pentru rezistența și rigiditatea lor excepționale și sunt, de asemenea, extrem de ușoare. Șuvițele din fibră de carbon sunt combinate cu diverse rășini pentru a crea materiale compozite. Aceste materiale compozite profită de proprietățile atât ale fibrei, cât și ale rășinii. Acest articol oferă o comparație a proprietăților fibrei de carbon față de aluminiu, împreună cu câteva avantaje și dezavantaje ale fiecărui material.

Fibră de carbon vs aluminiu măsurat

Mai jos sunt definițiile diferitelor proprietăți utilizate pentru a compara cele două materiale:

Modulul de elasticitate = „rigiditatea” unui material. Raportul dintre efort și deformare pentru un material. Panta curbei efort vs deformare pentru un material din regiunea sa elastică.

Rezistența maximă la tracțiune = solicitarea maximă pe care o poate suporta un material înainte de rupere.

Densitatea = masa materialului pe unitatea de volum.

Rigiditate specifică = Modulul de elasticitate împărțit la densitatea materialului. Folosit pentru compararea materialelor cu densități diferite.

Rezistența specifică la tracțiune = Rezistența la tracțiune împărțită la densitatea materialului.

Având în vedere aceste informații, următorul grafic compară fibra de carbon și aluminiul.

Notă: mulți factori pot afecta aceste numere. Acestea sunt generalizări; nu măsurători absolute. De exemplu, diferite materiale din fibră de carbon sunt disponibile cu o rigiditate sau o rezistență mai mare, adesea cu un compromis în reducerea altor proprietăți.

Acest grafic arată că fibra de carbon are o rezistență specifică la tracțiune de aproximativ 3,8 ori mai mare decât cea a aluminiului și o rigiditate specifică de 1,71 ori mai mare decât cea a aluminiului.

Compararea proprietăților termice ale fibrei de carbon și ale aluminiului

Încă două proprietăți care arată diferențele dintre fibra de carbon și aluminiu sunt expansiunea termică și conductibilitatea termică.

Expansiunea termică descrie modul în care dimensiunile unui material se modifică atunci când se schimbă temperaturile.

Aluminiul are aproximativ de șase ori expansiunea termică a fibrei de carbon.

Argumente pro şi contra

Atunci când proiectează materiale și sisteme avansate, inginerii trebuie să determine care proprietăți ale materialului sunt cele mai importante pentru aplicații specifice. Atunci când o rezistență ridicată la greutate sau o rigiditate ridicată la greutate contează, fibra de carbon este alegerea evidentă. În ceea ce privește designul structural, atunci când greutatea adăugată ar putea scurta ciclurile de viață sau poate duce la performanțe slabe, designerii ar trebui să privească fibra de carbon ca material de construcție mai bun. Când duritatea este esențială, fibra de carbon este ușor combinată cu alte materiale pentru a obține caracteristicile necesare.

Proprietățile de expansiune termică scăzută ale fibrei de carbon reprezintă un avantaj semnificativ atunci când se creează produse care necesită un grad ridicat de precizie și stabilitate dimensională în condițiile în care temperaturile fluctuează: dispozitive optice, scanere 3D, telescoape etc.

Există, de asemenea, câteva dezavantaje în utilizarea fibrei de carbon. Fibra de carbon nu cedează. Sub sarcină, fibra de carbon se va îndoi, dar nu se va conforma permanent noii forme (elastice). Odată ce rezistența maximă la tracțiune a materialului din fibră de carbon este depășită, fibra de carbon eșuează brusc. Inginerii trebuie să înțeleagă acest comportament și să includă factori de siguranță pentru a-l lua în considerare atunci când proiectează produse. Piesele din fibră de carbon sunt, de asemenea, semnificativ mai scumpe decât aluminiul, din cauza costului ridicat de producere a fibrei de carbon și a abilității și experienței mari implicate în crearea pieselor compozite de înaltă calitate.