¿Por qué la fibra de carbono es inherentemente débil? ¿O es eso?

La fibra de carbono no es necesariamente un material «débil» o «frágil». Si tuviera un tubo del mismo diámetro y grosor de CF típico que un tubo de marco de acero típico, ese tubo CF sería extremadamente fuerte y duradero.

Los metales como el acero y el aluminio son materiales isotrópicos. Eso significa que sus propiedades mecánicas son idénticas en todas las direcciones. Si tiene un cubo de acero, responderá de la misma manera sin importar en qué dirección lo tire o lo empuje.

La fibra de carbono es un material compuesto. Consiste en toneladas de pequeños haces de fibras unidas con un epoxi.

Un bloque de acero es, bueno, como el acero, pero la fibra de carbono es como un gran paquete de pajitas pegadas. En una dirección, es extremadamente fuerte, pero si empuja o tira hacia un lado, colapsará. En esa única dimensión donde es fuerte, es mucho más fuerte que el acero. Sin embargo, en otras direcciones es bastante endeble.

Entonces, los ingenieros han podido explotar esas propiedades en los cuadros de bicicleta. En un cuadro de bicicleta, la gran, gran mayoría de las fuerzas se encuentran principalmente a lo largo de una sola Pueden hacer que los tubos sean más delgados y livianos, pero aún así conservan la resistencia y rigidez deseadas.

Por lo tanto, no hay ninguna razón mecánica por la que no puedas construir una bicicleta de turismo completamente cargada o algo como una Salsa Fargo con un cuadro de carbono, y podría ser igual de resistente y duradero. Y probablemente sería más liviano que un marco de acero o aluminio. Pero la razón por la que no se hace es por el mercado. La fibra de carbono es un material caro y difícil de trabajar, y sus propiedades mecánicas son las más adecuadas cuando se requieren aplicaciones muy ligeras.

Cuando construya una bicicleta con estructura de acero, cuando obtenga los tubos lo suficientemente fuertes a lo largo de su longitud, que debido a las propiedades isotrópicas del acero, obtenga la resistencia lateral de forma gratuita, la resistencia para resistir los golpes, los choques, etc.

En un cuadro de fibra de carbono, no obtienes la fuerza en las otras dimensiones a menos que elijas diseñarlo. En bicicletas de fibra de carbono, donde el peso es una preocupación seria, se tomó la decisión de ingeniería de no tomar los marcos fuertes en esas áreas. Podrían hacerlo, pero eligen no hacerlo porque no es necesario para el propósito previsto de las bicicletas.

Cuando construyes una bicicleta con carga pesada, pierdes muchas de las ventajas de las fibras de carbono, y así sería mucho más económico utilizar acero o aluminio. Especialmente cuando tirar un par de botellas de agua llenas en su maleta casi excede el ahorro de peso.

Comentarios

• ¡Excelente respuesta!
• Mezclas resistente y duradero y son totalmente diferentes. El aluminio no es duradero ya que se fatiga y el carbono no se fatiga. ¿Qué es duro? Me gusta el carbono, pero una Salsa Fargo es acero por una buena razón. El acero tiene un límite de elasticidad más bajo, pero no falla catastróficamente.
• @Blam: El aluminio puede ser bastante duradero. Durable no ‘ t tiene una definición de ingeniería, y claro, mientras que Al no ‘ t tiene un límite de resistencia como el acero, la vida de fatiga puede ser lo suficientemente grande como para que no sea un problema.Además, los componentes compuestos se pueden construir para que no fallen catastróficamente, sin embargo, en pocas situaciones en las que se utilizan hoy en día, ese es un requisito de uso.
• La vida útil de la bicicleta de aluminio por fatiga no es un problema.

Primero, un descargo de responsabilidad: la mayor parte de lo que sé sobre la fabricación de fibra de carbono proviene de aviones, no bicicletas. También tenga en cuenta que la fibra de carbono no es el único compuesto que se utiliza; solo para una alternativa, las fibras de kevlar también pueden ser útiles (el kevlar es más fuerte, pero también más flexible que el carbono).

La fibra de carbono es fuerte, pero no responde bien a las tensiones puntuales . Esto se debe en gran parte a que es básicamente tela (tejida con fibras de carbono). Si pones mucha tensión en un solo punto, estás poniendo esa tensión solo en algunas de esas fibras de carbono. Si bien las fibras en sí son extremadamente fuertes (para su peso), la unión que mantiene unidas las fibras individuales es mucho más débil. A modo de comparación, piense en la cinta de embalaje que tiene fibras de fibra de vidrio a lo largo de su longitud. La fibra de vidrio en sí es muy fuerte, pero la tira de plástico y la «sustancia pegajosa» que las mantiene juntas es mucho más débil. Aunque los detalles difieren, la misma idea general se aplica también a la fibra de carbono.

La resistencia exacta también depende de la dirección. Como dije anteriormente, la fibra de carbono comienza básicamente como hilos que se tejen en tela. Luego, la tela se impregna con algún tipo de epoxi (el epoxi exacto utilizado varía según la aplicación), se coloca en un molde, se embolsa al vacío ¹ y luego se hornea para endurecer el epoxi. Puede obtener la tela en varios tejidos diferentes, algunos con la misma cantidad de fibra de carbono en cada dirección, otros con (digamos) el 80% de la fibra de carbono en una dirección y solo el 20% en la otra dirección. Supongo que la mayor parte del CF que se usa en el cuadro de una bicicleta probablemente esté más cerca de la última variedad, con la mayoría de los hilos corriendo a lo largo de un tubo y considerablemente menos alrededor de la circunferencia del tubo.

Mientras estemos en eso: el carbono también es aproximadamente el doble de fuerte con respecto al estiramiento que al comprimido. Por lo general, tendrá alrededor del doble de capas en las que se somete principalmente a una carga de compresión.

¹ El envasado al vacío significa que se coloca una bolsa de plástico grande alrededor del molde y el paño colocado, y se aspira el aire. La presión del aire en el exterior mantiene las capas de paño bien juntas para (tratar de) asegurar que cuando se horneen, actúen como una sola capa, no como capas separadas. Esto tiene poco efecto sobre la fuerza cuando se somete a estiramiento, pero un gran efecto cuando se somete a compresión o flexión.

Comentarios

• Respuesta interesante. ¿Es posible usar fibra de carbono de tal manera que sea tan fuerte como, digamos, el aluminio? ‘ tengo la impresión de que la respuesta es sí, pero sería más gruesa, más pesada y más cara.
• @neilfein: El GT Fury y la Santa Cruz V-10 Carbon son bicicletas de montaña para carreras de descenso. Son ‘ ciertamente duros. Definitivamente son » más gruesos, más pesados y más caros . »
• @ Neilfein: Eso ‘ es casi imposible de responder sin hacer mucho para cuantificar lo que te estresa ‘ estás hablando. Como materia prima, el CF es mucho más resistente que el aluminio, pero diseñar un marco utilizable para aprovechar esa resistencia es mucho más difícil.
• +1 para el tema de la resistencia direccional . Los autos de Fórmula uno tienen suspensión hecha de fibra de carbono, y es ridículamente fuerte a lo largo del eje de desplazamiento (¡la cantidad de compresión generada por esos alerones traseros es enorme!), Pero se dobla con regularidad después de un impacto frontal con pedazos de escombros en velocidades (relativamente) bajas.

La fibra de carbono es un material muy fuerte, pero como cualquier material hace algunas cosas mejor que otras. De Wikipedia :

La fibra de carbono es muy fuerte cuando se estira o dobla, pero débil cuando se comprime o se expone a golpes fuertes (por ejemplo, una barra de fibra de carbono es extremadamente difícil de doblar, pero se agrietará fácilmente si se golpea con un martillo).

Considerando que un cuadro de fibra de carbono pueda soportar el peso de un ciclista más todas las fuerzas que agrega un ciclista (que pueden exceder varias veces su peso corporal) no es de ninguna manera débil. Todo esto por menos del peso de un marco de aluminio o acero comparable.

Pero ciertos tipos de fuerzas, como impactos bruscos, pueden dañar las fibras y el epoxi debilitando el material, algo que es menos probable con un metal.Y una pequeña abrazadera puede aplastar un tubo CF, con suficiente fuerza (también puede hacer esto con tubos de aluminio de paredes delgadas, pero requiere más esfuerzo).

Comentarios

• en realidad, esto es todo lo contrario de un material ‘ resistente ‘. Un material resistente puede soportar una gran deformación plástica antes de romperse, el acero es resistente, el hierro fundido o el CF no lo son. Piense en plástico = resistente, vidrio = resistente
• @mgb: cambiado » resistente » a » strong »
• Fue realmente interesante ver cómo un eje de transmisión de fibra de carbono se rompía en un coche en la pista de arrastre. El impacto repentino de un lanzamiento AWD muy fuerte causó una falla bastante dramática a pesar de ser técnicamente más fuerte que un eje de transmisión de acero típico.

Un poco tarde para la fiesta, pero aquí está mi «penneth»: como se señaló anteriormente, un método de fabricación común de marcos CF implica «colocar» múltiples capas de fibras impregnadas de resina de diferentes orientaciones para optimizar las características de resistencia de acuerdo con las cargas esperadas y el rendimiento requerido del marco (por ejemplo, rígido vs flexible / flexible). En este sentido, CF puede adaptarse con mayor precisión a un conjunto de requisitos para el peso más ligero. Como con todos los problemas de ingeniería, hay compromisos. Cada capa es esencialmente bidimensional (piense en x y eje y para una hoja plana), la tercera dimensión, el grosor (piense en el eje z) es solo la acumulación de capas de fibras, pero no tiene ninguna resistencia de fibra per se, solo la resistencia de la matriz de resina que mantiene juntas todas las fibras. Por tanto, es a través del espesor del material que las estructuras compuestas de CF son más débiles. Y un modo común de falla se conoce como delaminación (falla la unión entre capas). Esto puede ocurrir por un golpe en la superficie y cualquier delaminación dentro de las capas no será visible externamente. Solo los escaneos pueden detectar la extensión de cualquier daño: el método de baja tecnología implica tocar la superficie y escuchar cualquier cambio en el tono de los golpes; requiere un oído entrenado y es menos obvio para el profano diferenciar entre un cambio de tono debido a una delaminación versus, digamos, un cambio en la disposición subyacente (capas de extrusión cerca de las uniones, etc.).

La delaminación es el punto débil de los marcos CF y por qué, en mi opinión, pueden describirse como «fuerte» pero NO «resistente» o «resistente al daño». Dado que cualquier golpe antiguo podría poner en peligro la resistencia del marco y provocar una falla catastrófica repentina e inesperada. El metal, por otro lado, cede gradualmente cuando se sobrecarga, por lo que es menos probable que ocurra una falla repentina (si se diseña correctamente).

Entonces, la gran pregunta para mí siempre ha sido: si choco una bicicleta CF, ¿cómo lo haré? Sé que la fama todavía tiene integridad estructural.

Hablo como ciclista e ingeniero que se especializó en mi carrera inicial en materiales compuestos y aglomerados. La respuesta al riesgo de delaminación radica en los materiales compuestos donde las fibras también corren en la dimensión z (espesor). Esto se puede lograr a través de estructuras de fibras «tejidas» donde las fibras unen / bloquean las capas entre sí; la fibra seca «tejida» se mantiene en un molde y la resina líquida se inyecta y cura. Hasta donde yo sé, ningún fabricante todavía utiliza esta técnica (costosa, material de tipo presupuestario militar / aeroespacial). Continúan con el método tradicional de laminado de fibras preimpregnadas. Algunos fabricantes hablan de «tejer fibras juntas» de un tubo a otro en el cuadro de una bicicleta, pero no creo que esto sea el «tejido» a través de las capas de una técnica de fabricación más avanzada.

En realidad, no conozco todos los detalles, pero sé que la fibra de carbono tiende a ser fuerte y flexible en algunas direcciones y no muy fuerte en otras. Entonces, cuando construye un marco con él, puede alinearlo correctamente para que el marco se doble y absorba los golpes de la forma en que se supone que funcionan los marcos, pero si le aplica la presión incorrecta (por ejemplo, déjelo caer de lado sobre una curva de hormigón), podría agrietarse.

Pero, como tal vez quedó claro en mi pregunta anterior , «no estoy seguro 🙂