Hvorfor er kulfiber i sig selv svag? Eller er det?

Kulfiber er ikke nødvendigvis et “svagt” eller “skrøbeligt” materiale. Hvis du havde et rør med samme diameter og tykkelse som typisk CF som et typisk stålrør, ville det CF-rør være ekstremt stærkt og holdbart.

Metaller som stål og aluminium er isotrope materialer. Det betyder, at deres mekaniske egenskaber er identiske i alle retninger. Hvis du har en terning af stål, reagerer den på samme måde, uanset hvilken retning du trækker eller skubber på den.

Kulfiber er et sammensat materiale. Den består af tonsvis af små bundter af fibre, der holdes sammen med en epoxy.

En blok af stål er godt som stål, men kulfiber er som et stort bundt halm limet sammen. I den ene retning er den ekstremt stærk, men hvis du skubber eller trækker til siden, kollapser den. I den ene dimension, hvor den er stærk, er den langt stærkere end stål. Men i andre retninger er det ret spinkelt.

Så ingeniører har været i stand til at udnytte disse egenskaber i cykelrammer. I en cykelramme er det store, store flertal af styrkerne primært langs en enkelt dimension. De kan gøre rørene tyndere og lettere, men alligevel bibeholde den ønskede styrke og stivhed.

Så der er ingen mekanisk grund til, at du ikke kunne bygge en fuldt belastet touringcykel eller noget lignende en Salsa Fargo med en kulstoframme, og den kunne være lige så hård og holdbar. Og det ville sandsynligvis være lettere end en stål- eller aluminiumsramme. Men grunden til, at det ikke er gjort, er på grund af markedet. Kulfiber er et dyrt materiale og svært at arbejde med, og dets mekaniske egenskaber er bedst egnet til, når du kræver meget lette applikationer.

Når du bygge en stålindrammet cykel, når du får rørene tilstrækkeligt stærke nok langs deres længde, at du på grund af stål isotropiske egenskaber får sidestyrken gratis, styrken til at modstå ting, der banker ind i den, modstå nedbrud osv.

I en kulfiberramme får du ikke styrken i de andre dimensioner, medmindre du vælger at designe den. I kulfibercykler, hvor vægten er en alvorlig bekymring, er den tekniske beslutning taget for ikke at tage rammerne er stærke i disse områder. De kunne gøre det, men de vælger ikke at gøre det, fordi det ikke er nødvendigt for cyklernes formål.

Når du bygger en tungbelastet cykel, mister du mange fordele af kulfibre, og det ville det være langt mere økonomisk at bruge stål eller aluminium. Især når du smider et par fyldte vandflasker i din kuffert, overstiger næsten vægtbesparelserne.

Kommentarer

• Fremragende svar!
• Du blander hård og holdbar, og de er helt forskellige. Aluminium er ikke holdbart, da det træder, og kulstof ikke træder. Hvad er hårdt? Jeg kan godt lide kulstof, men en Salsa Fargo er stål af en god grund. Stål har et lavere flydepunkt, men det svigter ikke katastrofalt.
• @Blam: Aluminium kan være meget holdbart. Holdbar har ‘ ikke en ingeniørdefinition, og bestemt, mens Al ikke ‘ ikke har en udholdenhedsgrænse som stål, kan træthedstiden være være stor nok til at gøre det til et ikke-problem.Desuden kan kompositkomponenter bygges for ikke at mislykkes katastrofalt, men i få situationer, hvor de bruges i dag, er det et krav om brug.
• Træthedstid på aluminiumcykler er ikke et spørgsmål.

Først en ansvarsfraskrivelse: det meste af det, jeg ved om fabrikation af kulfiber kommer fra fly, ikke cykler. Bemærk også, at kulfiber er ikke den eneste komposit, der bliver brugt – kun for et alternativ kan Kevlar-fibre også være nyttige (Kevlar er stærkere, men også mere fleksibel end kulstof).

Kulfiber er stærk, men reagerer ikke godt på punkt stress. Dette skyldes hovedsageligt, at det grundlæggende er klud (vævet ud af kulfibre). Hvis du lægger en masse stress på et enkelt punkt, lægger du kun denne spænding på nogle få af disse kulfibre. Mens fibrene i sig selv er ekstremt stærke (for deres vægt), er bindingen, der holder de enkelte fibre sammen, meget svagere. Til sammenligning skal du tænke på emballagebåndet, der har glasfiberfibre, der løber langs dets længde. Selve glasfiberen er virkelig stærk, men striben af plastik og “goo”, der holder dem sammen, er meget svagere. Selvom detaljerne er forskellige, gælder den samme generelle idé også for kulfiber.

Den nøjagtige styrke afhænger også af retning. Som jeg sagde ovenfor, starter kulfiber som en grundlæggende tråd, der er vævet i klud. Kluden imprægneres derefter med en slags epoxy (den nøjagtige anvendte epoxy varierer med applikationen), lægges i en form, vakuumposes ¹ og bages derefter for at hærde epoxy. Du kan få kluden i forskellige forskellige vævninger, nogle med den samme mængde kulfiber, der løber i hver retning, andre med (siger) 80% af kulfiberen i den ene retning og kun 20% i den anden retning. På et gæt er det meste af CF, der bruges i en cykelramme, sandsynligvis et sted tættere på sidstnævnte sort, hvor de fleste tråde løber langs et rør og væsentligt mindre løber rundt om rørets omkreds.

Så længe vi er klar over det: kulstof er også omkring dobbelt så stærkt med hensyn til at blive strakt som komprimeret. Du vil typisk have omkring dobbelt så mange lag, hvor det primært udsættes for en trykbelastning.

¹ Vakuumpose betyder, at der er placeret en stor plastikpose rundt om formen og den oplagte klud, og luften suges ud. Lufttryk på ydersiden holder tøjlagene tæt sammen at (forsøge) at sikre, at når de “bages igen, fungerer de som et enkelt lag, ikke som separate lag. Dette har ringe effekt på styrken, når den udsættes for strækning, men en stor effekt, når den udsættes for kompression eller bøjning.

Kommentarer

• Interessant svar. Er det muligt at bruge kulfiber på en sådan måde, at den kan være så stærk som f.eks. Aluminium? Jeg ‘ får indtryk af, at svaret er ja, men det ville være tykkere, tungere og dyrere.
• @neilfein: GT Fury og Santa Cruz V-10 Carbon er downhill racing mountainbikes. De ‘ er bestemt hårde. De er bestemt ” tykkere, tungere og dyrere . ”
• @ neilfein: At ‘ er næsten umuligt at svare uden at gøre meget for at kvantificere, hvad der stresser dig ‘ du taler om. Som råmateriale er CF meget stærkere end aluminium, men at designe en brugbar ramme til at udnytte denne styrke er meget sværere.
• +1 for ting om retningsstyrke . Formel 1-biler har affjedring lavet af kulfiber, og det er latterligt stærkt langs bevægelsesaksen (Mængden af kompression, der genereres af disse bagvinger, er enorm!), Men den spænder regelmæssigt efter en frontpåvirkning med stykker snavs ved (relativt) lave hastigheder.

Kulfiber er et meget stærkt materiale, men som ethvert materiale er det gør nogle ting bedre end andre. Fra Wikipedia :

Kulfiber er meget stærk, når den er strakt eller bøjet, men svag når den komprimeres eller udsættes for højt stød (f.eks. er en kulfiberstang ekstremt vanskelig at bøje, men knækker let, hvis den rammes med en hammer).

Overvejer at en kulfiberramme kan understøtte vægten af en rytter plus alle de kræfter, som en rytter tilføjer (som kan overstige flere gange deres kropsvægt), er på ingen måde svag. Alt dette til mindre end vægten af en sammenlignelig aluminiums- eller stålramme.

Men visse typer kræfter – som skarpe påvirkninger – kan beskadige fibrene og epoxy, der svækker materialet, noget der er mindre sandsynligt med et metal.Og en lille klemme kan knuse et CF-rør, givet tilstrækkelig kraft (du kan også gøre dette med tyndvæggede aluminiumsrør, men det kræver større indsats).

Kommentarer

• faktisk er dette det modsatte af et ‘ hårdt ‘ materiale. Et hårdt materiale kan klare en stor plastisk deformation inden brud, stål er hårdt, støbejern eller CF er ikke. Tænk plastik = hård, glas = stærk
• @mgb: ændret ” hård ” til ” stærk ”
• Det var virkelig interessant at se en kulfiber-drivaksel splintre på en bil ved trækstripen. Det pludselige chok af en meget hård AWD-lancering forårsagede en temmelig dramatisk fiasko på trods af at den var teknisk stærkere end en typisk stålakselaksel.

Lidt sent til festen, men her er “min ha” penneth: Som nævnt ovenfor involverer en almindelig fremstillingsmetode af CF-rammer “lægning” af flere lag med harpiksimprægnerede fibre med forskellige retninger til optimere styrkeegenskaberne i henhold til de forventede belastninger og den krævede ydeevne af rammen (f.eks. stiv vs smidig / fleksibel). I denne forstand kan CF være mere præcist skræddersyet til et sæt krav til den letteste vægt. Som med alle tekniske problemer er der hvert lag er i det væsentlige todimensionalt (tænk x og y-aksen for et fladt ark), den tredje dimension, tykkelse (tænk z-aksen) er kun ophobning af lag af fibre, men har ikke i sig selv nogen fiberstyrke, kun styrke fra harpiksmatrixen, der holder alle fibrene sammen. Så det er gennem materialets tykkelse, at CF-kompositstrukturer er svageste. Og en almindelig fejlsmåde kaldes delaminering (båndet mellem lag mislykkes). Dette kan ske fra et slag mod overfladen, og enhver delaminering i lagene vil ikke være synlig udefra. Kun scanninger kan registrere omfanget af eventuelle skader – den lavteknologiske metode indebærer at banke på overfladen og lytte efter eventuelle ændringer i tappens tone – det kræver et trænet øre og er mindre indlysende for lægmanden at skelne mellem en ændring i tonen på grund af en delaminering versus siger en ændring i den underliggende layup (ekstralag nær sammenføjninger osv …).

Delaminering er det svage punkt i CF-rammer, og hvorfor de efter min mening kan beskrives som “stærk” men IKKE “hård” eller “modstandsdygtig over for skader”. Da ethvert gammelt bang kunne bringe rammens styrke i fare og førte til en uventet pludselig katastrofal fiasko. Metal giver på den anden side gradvist efter overbelastning – så pludselig svigt (hvis det er korrekt designet) er mindre sandsynligt.

Så det store spørgsmål for mig har altid været – hvis jeg styrter en CF-cykel, hvordan vil jeg ved, at berømmelsen stadig har strukturel integritet.

Jeg taler som en cyklist og ingeniør, der specialiserede sig i min tidlige karriere inden for kompositmaterialer og limede materialer. Svaret på risikoen for delaminering ligger i sammensatte materialer, hvor fibre også løber i z (tykkelse) dimension. Dette kan opnås gennem “strikkede” fiberstrukturer, hvor fibre forbinder / låser lagene sammen – den tørre fiber “strik” holdes derefter i en form og flydende harpiks injiceres og hærdes. Så vidt jeg ved, bruger ingen producenter endnu denne teknik (dyrt – militær / rumfart budget type ting). De fortsætter med den traditionelle opstilling af præimprægnerede fibre metode. Nogle producenter taler om “at væve fibre sammen” fra et rør til et andet i en cykelramme, men jeg tror ikke, det er “strikning” gennem lagene i en mere avanceret fremstillingsteknik.

Jeg kender faktisk ikke alle detaljerne, men jeg ved, at kulfiber har tendens til at være stærk og fleksibel i nogle retninger og ikke særlig stærk i andre. Så når du bygger en ramme ud af den, kan du justere den lige så, at rammen er bøjelig og absorberer stød på den måde, som rammerne skal fungere, men hvis du anvender det forkerte pres på det (sig, slip det sidelæns på en konkret kurve), kan den knække.

Men som det måske blev gjort klart af mit forrige spørgsmål , er jeg ikke helt sikker 🙂