Proč jsou uhlíková vlákna ze své podstaty slabá? Nebo je to?

Uhlíková vlákna nemusí být nutně „slabým“ nebo „křehkým“ materiálem. Pokud byste měli trubku se stejným průměrem a tloušťkou typickou CF jako typická ocelová rámová trubka, byla by tato CF trubka extrémně pevná a odolná.

Kovy jako ocel a hliník jsou izotropní materiály. To znamená, že jejich mechanické vlastnosti jsou ve všech směrech stejné. Máte-li kostku z oceli, bude reagovat stejným způsobem bez ohledu na to, jakým směrem na ni zatáhnete nebo na ni zatlačíte.

Uhlíkové vlákno je kompozitní materiál. Skládá se z tun malých svazků vláken držených pohromadě s epoxidem.

Blok z oceli je jako ocel, ale uhlíkové vlákno je jako velký svazek brček slepených dohromady. V jednom směru je extrémně silný, ale pokud zatlačíte nebo zatáhnete do strany, zhroutí se. V té jedné dimenzi, kde je silná, je mnohem silnější než ocel. Avšak v jiných směrech je to docela křehké.

Takže inženýři dokázali tyto vlastnosti využít v rámech jízdních kol. V rámu jízdního kola je drtivá většina sil primárně podél jediné Mohou ztenčit a odlehčit trubky, přesto si zachovají požadovanou pevnost a tuhost.

Takže neexistuje žádný mechanický důvod, proč byste nemohli postavit plně naložené cestovní kolo nebo něco jako Salsa Fargo s karbonový rám a mohl by být stejně odolný a odolný. A pravděpodobně by byl lehčí než ocelový nebo hliníkový rám. Důvodem, proč se to neděje, je však trh. Uhlíkové vlákno je drahý materiál, s nímž se obtížně pracuje, a jeho mechanické vlastnosti jsou nejvhodnější pro aplikace, které vyžadují velmi lehké aplikace.

Když postavte kolo s ocelovým rámem, když trubky dostatečně pevné po celé jejich délce, že díky izotropním vlastnostem oceli získáte boční pevnost zdarma, sílu odolávat věcem, které do ní narážejí, odolávají nárazům atd.

V rámu z uhlíkových vláken nezískáte sílu v ostatních rozměrech, pokud se nerozhodnete jej navrhnout. U motocyklů z uhlíkových vláken, kde je váha vážným problémem, bylo učiněno technické rozhodnutí nedopustit rámy silné v těchto oblastech. Mohli tak učinit, ale rozhodli se ne, protože to není nutné pro zamýšlený účel motocyklů.

Když stavíte těžce naložené kolo, ztrácíte mnoho výhod uhlíkových vláken, a tak by to bylo mnohem hospodárnější je použití oceli nebo hliníku. Zejména když hodíte pár naplněných lahví s vodou do kufru, téměř překročí úsporu hmotnosti.

Komentáře

• Skvělá odpověď!
• Mícháte houževnaté a odolné a jsou úplně jiné. Hliník není odolný, protože unavuje a uhlík neunavuje. Co je těžké? Mám rád uhlík, ale Salsa Fargo je ocel z dobrého důvodu. Ocel má nižší mez kluzu, ale katastroficky nezklame.
• @Blam: Hliník může být dostatečně odolný. Durable nemá ‚ t technickou definici a jistě, zatímco Al nemá ‚ t limit odolnosti jako ocel, může únavová životnost být dost velký na to, aby z toho nebyl problém.Kromě toho mohou být kompozitní součásti konstruovány tak, aby katastroficky nezlyhaly, avšak v několika situacích, kdy se dnes používají, je požadavek použití.
• Životnost hliníkových kol není problémem.

Nejprve odmítnutí odpovědnosti: většina toho, co vím o výrobě uhlíkových vláken, pochází z letadel, ne kola. Uvědomte si také, že uhlíkové vlákno není jediným kompozitem, který se používá – jen pro jednu alternativu mohou být užitečná také kevlarová vlákna (kevlar je silnější, ale také pružnější než uhlík).

Uhlíková vlákna jsou silná, ale nereagují dobře na bod namáhání. Je to z velké části proto, že je to v zásadě tkanina (utkaná z uhlíkových vláken). Pokud v jednom bodě zatěžujete hodně, opětovně zatěžujete pouze několik z těchto uhlíkových vláken. I když jsou vlákna sama o sobě extrémně silná (pro svou hmotnost), vazba, která drží jednotlivá vlákna pohromadě, je mnohem slabší. Pro srovnání si představte balicí pásku, která má podél své délky vlákna ze skleněných vláken. Samotné skleněné vlákno je opravdu silné, ale pás plastu a „goo“, které je drží pohromadě, je mnohem slabší. Ačkoli se podrobnosti liší, stejná obecná myšlenka platí i pro uhlíková vlákna.

Přesná síla závisí také na směru. Jak jsem řekl výše, uhlíkové vlákno začíná jako v podstatě vlákna, která jsou tkaná do látky. Tkanina se poté impregnuje nějakým druhem epoxidu (přesný použitý epoxid se liší podle aplikace), položí se do formy, vakuově se zabalí ¹ a poté se pro vytvrzení epoxidu upeče. Látku můžete získat v různých vazbách, některé se stejným množstvím uhlíkových vláken běží v každém směru, jiné s (řekněme) 80% uhlíkových vláken v jednom směru a pouze 20% v druhém směru. Uhaduji, že většina CF použitých v rámu kola je pravděpodobně někde blíže k druhé odrůdě, přičemž většina závitů běží po délce trubky a podstatně méně po obvodu trubky.

Pokud na to přijdeme: uhlík je také asi dvakrát tak silný, co se týče roztažení a komprimace. Obvykle budete mít zhruba dvakrát tolik vrstev, kde je primárně vystaven tlakovému zatížení.

¹ Vakuové sáčkování znamená, že kolem formy a položeného hadříku je umístěn velký plastový sáček a vzduch je odsáván. Tlak vzduchu na vnější straně drží vrstvy hadříku pevně pohromadě (pokusit se) zajistit, aby po přepracování fungovaly jako jedna vrstva, nikoli jako samostatné vrstvy. To má malý vliv na pevnost při protažení, ale obrovský účinek při stlačování nebo ohýbání.

Komentáře

• Zajímavá odpověď. Je možné použít uhlíkové vlákno tak, aby mohlo být stejně silné jako například hliník? ‚ Vytvářím dojem, že odpověď je ano, ale byla by silnější, těžší a dražší.
• @neilfein: GT Fury a Santa Cruz V-10 Carbon jsou horská závodní horská kola. Jsou ‚ určitě tvrdé. Určitě jsou “ silnější, těžší a dražší . “
• @ neilfein: Na to je ‚ téměř nemožné odpovědět, aniž bychom hodně vyčíslili, co vás ‚ mluví. Jako surovina je CF mnohem silnější než hliník, ale navrhnout použitelný rám, který by tuto pevnost využil, je mnohem mnohem obtížnější.
• +1 pro věci o směrové síle . Automobily Formule 1 mají odpružení vyrobené z uhlíkových vláken a je směšně silné podél osy jízdy (míra komprese generovaná těmito zadními křídly je obrovská!), Ale pravidelně se vzpíná po čelním nárazu s kousky úlomků (relativně) nízké rychlosti.

Uhlíkové vlákno je velmi silný materiál, ale jako každý jiný materiál dělá některé věci lépe než jiné. Z Wikipedie :

Uhlíkové vlákno je při protažení nebo ohnutí velmi silné, ale slabé při stlačení nebo vystavení silným nárazům (např. tyč z uhlíkových vláken se extrémně obtížně ohýbá, ale snadno praskne, pokud na ni narazíte kladivem).

Zvažování že rám z uhlíkových vláken může unést váhu jezdce plus všechny síly, které jezdec přidá (které mohou překročit několikanásobek jejich tělesné hmotnosti), to v žádném případě není slabé. To vše za méně než váhu srovnatelného hliníkového nebo ocelového rámu.

Ale určité typy sil – například ostré nárazy – mohou poškodit vlákna a epoxidovou vrstvu oslabující materiál, což je méně pravděpodobné u kov.A malá svorka může rozbít CF trubici, při dostatečné síle (můžete to udělat také s tenkostěnnými hliníkovými trubkami, ale vyžaduje to více úsilí).

Komentáře

• ve skutečnosti jde o pravý opak ‚ tvrdého ‚ materiálu. Houževnatý materiál si poradí s velkou plastickou deformací před rozbitím, ocel je tuhá, litina nebo CF ne. Přemýšlejte o plastu = houževnatém, skleněném = silném
• @mgb: změněno “ houževnaté “ na “ silný “
• Bylo opravdu zajímavé vidět rozbití hnacího hřídele z uhlíkových vláken na autě u pruhu tažení. Náhlý šok z velmi tvrdého spuštění AWD způsobil poměrně dramatickou poruchu, přestože byl technicky silnější než typický ocelový hnací hřídel.

Myslím si, že stojí za to zdůraznit, že i když uhlíková vlákna mohou být pokládána za dostatečně silná, nejsou vůbec tvárná, jako ocel nebo (v menší míře) hliník. Do kovového rámu můžete vložit pěkně velký důlek a pořád ho jezdit domů, ale pokud vložíte důlek do uhlíkových vláken, pravděpodobně jste narušili celou trubku do té míry, že byste na ní pravděpodobně nejezdili. jen mnohem křehčí, takže deformace znamená rozbití, kde v kovech to obvykle znamená, že je něco natažené nebo stlačené, což relativně méně poškozuje strukturální integritu.

Trochu pozdě na večírek, ale tady je můj ha „penneth: Jak je uvedeno výše, běžná výrobní metoda rámů CF zahrnuje“ pokládání „více vrstev vláken impregnovaných pryskyřicí s různou orientací optimalizovat pevnostní charakteristiky podle očekávaného zatížení a požadovaného výkonu rámu (např. tuhý vs pružný / pružný). V tomto smyslu může být CF přesněji přizpůsoben souboru požadavků na nejlehčí váhu. Jako u každého technického problému existují kompromisy. Každá vrstva je v podstatě dvourozměrná (myslím x a osa y pro plochý list), třetí rozměr, tloušťka (myslíme na osu z) je jen akumulace vrstev vláken, ale sama o sobě nemá žádnou pevnost vláken, pouze pevnost z pryskyřičné matrice, která drží všechna vlákna pohromadě. Díky tloušťce materiálu jsou tedy kompozitní struktury CF nejslabší. A běžný způsob selhání je známý jako delaminace (vazba mezi vrstvami selže). K tomu může dojít při úderu na povrch a jakákoli delaminace ve vrstvách nebude zvnějšku viditelná. Pouze skeny dokážou detekovat rozsah jakéhokoli poškození – metoda s nízkou technologií zahrnuje poklepání na povrch a naslouchání jakýmkoli změnám tónu klepání – vyžaduje trénované ucho a pro laika je méně zřejmé rozlišovat mezi změnou tónu kvůli delaminaci versus řekněme změně podkladového rozložení (extr vrstvy blízko spojů atd …).

Delaminace je slabým místem CF rámců a proč je podle mého názoru lze popsat jako „silný“, ale NE „tvrdý“ nebo „odolný vůči poškození“. Protože jakýkoli starý třesk mohl ohrozit pevnost rámu a vést k neočekávanému náhlému katastrofickému selhání. Na druhé straně se kov při přetížení postupně uvolňuje – takže k náhlému selhání (je-li správně navrženo) méně pravděpodobně dojde.

Takže pro mě vždy byla velká otázka – pokud narazím na CF kolo, jak budu vězte, že sláva má stále strukturální integritu.

Mluvím jako cyklista a inženýr, který se v mé rané kariéře specializoval na kompozitní a pojené materiály. Odpověď na riziko delaminace spočívá v kompozitních materiálech, kde vlákna také probíhají v dimenzi z (tloušťka). Toho lze dosáhnout prostřednictvím „pletených“ vláknitých struktur, kde vlákna spojují / spojují vrstvy dohromady – suchý vláknitý „úplet“ je poté držen ve formě a vstřikována a vytvrzována kapalná pryskyřice. Pokud vím, žádný výrobce zatím tuto techniku nepoužívá (nákladný – vojenský / letecký rozpočet). Pokračují v tradičním rozložení metody předimpregnovaných vláken. Někteří výrobci hovoří o „tkaní vláken dohromady“ z jedné trubky do druhé v rámu kola, ale nemyslím si, že se jedná o „pletení“ vrstvami pokročilejší výrobní techniky.

Ve skutečnosti neznám všechny podrobnosti, ale vím, že uhlíková vlákna bývají v některých směrech silná a pružná, v jiných ne příliš silná. Když tedy z toho vytvoříte rám, můžete jej zarovnat tak, aby byl rám ohnutý a absorboval rázy způsobem, jakým mají rámy fungovat, ale pokud na něj použijete špatný tlak (řekněme, položte ho do strany konkrétní křivka), mohlo by to prasknout.

Ale jak bylo snad objasněno mojí předchozí otázkou , nejsem si jistý 🙂