Miksi hiilikuitu on luonnostaan heikkoa? Vai onko se?

Hiilikuitu ei välttämättä ole ”heikko” tai ”herkkä” materiaali. Jos sinulla olisi putki, jonka halkaisija ja paksuus on sama kuin tyypillisessä CF: ssä kuin tyypillisessä teräsrunkoputkessa, CF-putki olisi erittäin vahva ja kestävä.

Metallit, kuten teräs ja alumiini, ovat isotrooppisia materiaaleja. Tämä tarkoittaa, että niiden mekaaniset ominaisuudet ovat identtiset kaikkiin suuntiin. Jos sinulla on teräkuutio, se reagoi samalla tavalla riippumatta siitä, mihin suuntaan vedät tai työnnät sitä.

Hiilikuitu on komposiittimateriaalia. Se koostuu tonnista pieniä nippuja kuituja, joita pidetään yhdessä epoksin kanssa.

Teräspalikka on hyvin kuin teräs, mutta hiilikuitu on kuin iso nippu olkia, jotka on liimattu yhteen. Yhdessä suunnassa se on erittäin vahva, mutta jos työnnät tai vedät sivulle, se romahtaa. Siinä yhdessä ulottuvuudessa, jossa se on vahva, se on huomattavasti vahvempi kuin teräs. Muihin suuntiin se on kuitenkin melko hämärä.

Joten insinöörit ovat pystyneet hyödyntämään näitä ominaisuuksia polkupyörän rungoissa. Polkupyörän rungossa valtava, suurin osa voimista on ensisijaisesti yhdellä ainoalla He voivat tehdä putkista ohuempia ja kevyempiä, mutta silti säilyttää halutun lujuuden ja jäykkyyden.

Joten ei ole mitään mekaanista syytä, ettet voisi rakentaa täysin kuormitettua maastopyörää tai jotain sellaista kuin Salsa Fargo hiilirunko, ja se voi olla yhtä kestävä ja kestävä. Ja se olisi todennäköisesti kevyempi kuin teräs- tai alumiinirunko. Mutta syy siihen ei ole, johtuu markkinoista. Hiilikuitu on kallista materiaalia ja sen kanssa on vaikea työskennellä, ja sen mekaaniset ominaisuudet soveltuvat parhaiten, kun tarvitset erittäin kevyitä sovelluksia.

Kun rakenna teräsrunkoinen pyörä, kun putket ovat riittävän vahvoja pituudeltaan, että terästen isotrooppisten ominaisuuksien takia saat sivuttaislujuuden ilmaiseksi, voimaa vastustaa sitä, että se törmää siihen, kestää törmäyksiä jne.

Hiilikuitukehyksessä et saa voimaa muissa mitoissa, ellet halua suunnitella sitä sisään. Hiilikuitupyörissä, joissa paino on vakava huolenaihe, on tehty tekninen päätös olla tekemättä kehykset vahvoja näillä alueilla. He voisivat tehdä niin, mutta he eivät halua, koska se ei ole välttämätöntä tarkoitetuille polkupyörille.

Kun rakennat raskaan kuormitetun polkupyörän, menetät paljon hiilikuidun etuja, joten se olisi paljon edullisempaa käyttää terästä tai alumiinia. Varsinkin kun parin täytetyn vesipullon heittäminen laukkuun ylittää melkein painon säästöt.

Kommentit

• Erinomainen vastaus!
• Sekoitat kovaa ja kestävää, ja ne ovat täysin erilaisia. Alumiini ei ole kestävä, koska se väsyttää ja hiili ei väsytä. Mikä on kova? Pidän hiilestä, mutta Salsa Fargo on terästä hyvästä syystä. Teräksen myötöraja on alhaisempi, mutta se ei onnistu katastrofaalisesti.
• @Blam: Alumiini voi olla paljon kestävää. Kestävällä ei ’ t ole tekninen määritelmä, ja varma, kun taas Al: lla ei ole ’ kestävyysrajaa, kuten terästä, väsymisikä voi olla riittävän suuri tekemään siitä ei-kysymys.Lisäksi komposiittikomponentit voidaan rakentaa niin, etteivät ne onnistu katastrofaalisesti, mutta harvoissa tilanteissa, joissa niitä käytetään nykyään, käyttövaatimus on.
• Alumiinipyörän väsymisikä ei ole kysymys.

Ensin vastuuvapauslauseke: Suurin osa hiilikuitutuotannosta tiedän lentokoneista, ei polkupyörät. Huomaa myös, että hiilikuitu ei ole ainoa käytettävä komposiitti – vain yhden vaihtoehdon tapauksessa Kevlar-kuidut voivat olla hyödyllisiä (Kevlar on vahvempi, mutta myös joustavampi kuin hiili).

Hiilikuitu on vahva, mutta ei reagoi hyvin piste -jännityksiin. Tämä johtuu suurelta osin siitä, että se on pohjimmiltaan kangasta (kudottu hiilikuiduista). Jos kohdistat paljon stressiä yhteen pisteeseen, asetat sen vain muutamalle hiilikuidulle. Vaikka kuidut itse ovat erittäin voimakkaita (painonsa puolesta), yksittäisten kuitujen yhteen kiinnittäminen on paljon heikompi. Ajattele vertailua varten pakkausteippiä, jonka lasikuitukuituja kulkee pituudeltaan. Lasikuitu itsessään on todella vahva, mutta muovinauha ja ”goo”, jotka pitävät niitä yhdessä, on paljon heikompi. Vaikka yksityiskohdat poikkeavat toisistaan, sama yleinen ajatus pätee myös hiilikuituun.

Tarkka vahvuus riippuu myös suunnasta. Kuten sanoin edellä, hiilikuitu alkaa periaatteessa langoiksi kudotuista säikeistä. Kangas kyllästetään sitten jonkinlaisella epoksilla (tarkka käytetty epoksi vaihtelee sovelluksen mukaan), asetetaan muottiin, tyhjiöpussiin ¹ ja paistetaan sitten epoksin kovettamiseksi. Voit saada kankaan eri kudoksista, joista toisissa sama määrä hiilikuitua kulkee kumpaankin suuntaan, toisten kanssa (esimerkiksi) 80 prosenttia hiilikuidusta yhteen suuntaan ja vain 20 prosenttia toiseen suuntaan. Oletettavasti suurin osa pyörän rungossa käytetystä CF: stä on luultavasti lähempänä jälkimmäistä lajiketta, ja suurin osa kierteistä kulkee putken pituudelta ja huomattavasti vähemmän putken ympärysmitta.

Niin kauan kuin olemme siinä: hiili on myös noin kaksi kertaa niin voimakas venytyksen suhteen kuin puristettuna. Sinulla on tyypillisesti noin kaksinkertainen määrä kerroksia, joissa siihen kohdistuu pääasiassa puristuskuorma.

¹ Tyhjiöpussi tarkoittaa, että muotin ja asetetun kankaan ympärille asetetaan iso muovipussi ja ilma imetään ulos. Ulkopuolella oleva ilmanpaine pitää kangaskerrokset tiukasti kiinni (yrittää) varmistaa, että kun ne paistetaan uudelleen, ne toimivat yhtenä kerroksena, ei erillisinä kerroksina. Tällä ei ole juurikaan vaikutusta venyttämisen kestävyyteen, mutta valtava vaikutus puristukseen tai taipumiseen.

Kommentit

• Mielenkiintoinen vastaus. Onko mahdollista käyttää hiilikuitua niin, että se voi olla yhtä vahva kuin esimerkiksi alumiini? Minusta ’ minusta tuntuu, että vastaus on kyllä, mutta se olisi paksumpi, painavampi ja kalliimpi.
• @neilfein: GT Fury ja Santa Cruz V-10 Carbon ovat alamäkeen maastopyöriä. He ’ ovat varmasti kovia. Ne ovat ehdottomasti ” paksumpia, painavampia ja kalliimpia . ”
• @ neilfein: Tähän ’ on melkein mahdotonta vastata tekemättä paljon määrällisesti sen suhteen, mistä stressistä ’ puhut. Raaka-aineena CF on paljon vahvempi kuin alumiini, mutta käyttökelpoisen kehyksen suunnittelu tämän lujuuden hyödyntämiseksi on paljon vaikeampi.
• +1 suuntalujuudelle . Formula 1 -autoissa on jousitus valmistettu hiilikuidusta, ja se on naurettavan vahva ajoakselilla (näiden takasiipien muodostama puristus on valtava!), Mutta se lukkiutuu säännöllisesti edestä törmäyksen jälkeen, jossa on roskia (suhteellisen) alhaiset nopeudet.

Hiilikuitu on erittäin vahva materiaali, mutta kuten mikä tahansa materiaali tekee joitain asioita paremmin kuin toiset. Wikipediasta :

Hiilikuitu on erittäin vahva venytettynä tai taivutettuna, mutta heikko kun se on puristettu tai altistettu suurelle iskuille (esim. hiilikuitupalkki on erittäin vaikea taipua, mutta se murtuu helposti, jos lyödään vasaralla).

Harkitaan että hiilikuiturunko tukee kuljettajan painoa plus kaikki voimat, jotka ratsastaja lisää (jotka voivat ylittää useita kertoja ruumiinpainostaan), se ei ole missään nimessä heikko. Kaikki tämä on alle vertailukelpoisen alumiini- tai teräsrungon painon.

Mutta tietyntyyppiset voimat – kuten terävät iskut – voivat vahingoittaa kuituja ja epoksia heikentäen materiaalia, mikä on vähemmän todennäköistä metalli.Ja pieni puristin voi murskata CF-putken riittävän voimalla (voit tehdä tämän myös ohutseinäisillä alumiiniputkilla, mutta se vie enemmän vaivaa).

Kommentit

• tämä on itse asiassa vastakohta ’ kovalle ’ materiaalille. Kestävä materiaali voi selviytyä suurista muovimuodoista ennen murtumista, teräs on sitkeä, valurauta tai CF eivät. Ajattele muovi = kova, lasi = vahva
• @mgb: muutettu ” kova ” muotoon ” vahva ”
• Oli todella mielenkiintoista nähdä hiilikuituisen vetoakselin rikkoutuvan autossa vetoliuskalla. Äärimmäisen kovan AWD-laukaisun äkillinen isku aiheutti melko dramaattisen vian, vaikka se oli teknisesti vahvempi kuin tyypillinen teräsvetoakseli.

Vähän myöhään juhliin, mutta tässä ”s ha ha” -kirje: Kuten edellä todettiin, CF-kehysten yleinen valmistusmenetelmä käsittää useiden hartsikyllästettyjen kuitujen ”asettamisen” eri suuntiin optimoi lujuusominaisuudet kehyksen odotettujen kuormitusten ja vaaditun suorituskyvyn mukaan (esim. jäykkä tai joustava / taipuisa) .Seuraavassa mielessä CF voidaan räätälöidä tarkemmin pienimmän painon vaatimusten mukaiseksi. Jokainen kerros on olennaisesti kaksiulotteinen (ajatella x ja y-akseli tasaiselle levylle), kolmas ulottuvuus, paksuus (ajattele z-akseli) on vain kuitukerrosten kertyminen, mutta sillä ei ole sinänsä mitään kuitulujuutta, vain vahvuus hartsimatriisista, joka pitää kaikki kuidut yhdessä. Joten materiaalin paksuuden kautta CF-komposiittirakenteet ovat heikoimpia. Ja yleinen vikatapa tunnetaan delaminaationa (kerrosten välinen sidos epäonnistuu). Tämä voi tapahtua iskuista pintaan, eikä kerrosten sisällä olevia delaminaatioita ole ulkoisesti näkyvissä. Vain skannaukset voivat havaita vaurioiden laajuuden – matalan tekniikan menetelmä on napauttaa pintaa ja kuunnella mahdollisia muutoksia hanojen sävyissä – se vaatii koulutetun korvan ja on maallikon kannalta vähemmän selvää erottamaan sävyn muutos johtuen delaminaatiosta tai sanomasta muutoksesta taustalla olevassa kokoonpanossa (ylimääräiset kerrokset lähellä liitoksia jne …).

Delaminaatio on CF-kehysten heikko kohta ja miksi mielestäni niitä voidaan kuvata ”vahva”, mutta EI ”kova” tai ”kestävä vaurioille”. Koska mikä tahansa vanha räjähdys voi vaarantaa kehyksen voimakkuuden ja johti odottamattomaan äkilliseen katastrofaaliseen epäonnistumiseen. Metalli toisaalta tuottaa vähitellen ylikuormitettuna – joten äkillisiä vikoja (jos ne on suunniteltu oikein) esiintyy vähemmän.

Joten minulle iso kysymys on aina ollut – jos törmään CF-pyörään, miten aion tiedän, että maineella on edelleen rakenteellinen eheys.

Puhun pyöräilijänä ja insinöörinä, joka on erikoistunut alkuvaiheen työhöni komposiitti- ja liimamateriaaleihin. Vastaus irtoamisen riskiin on komposiittimateriaaleissa, joissa kuidut kulkevat myös z (paksuus) -mitassa. Tämä voidaan saavuttaa ”neulottujen” kuiturakenteiden kautta, joissa kuidut yhdistävät / lukitsevat kerrokset yhteen – kuivaa ”neuloa” pidetään sitten muotissa ja ruiskutetaan ja kovetetaan nestemäistä hartsia. Sikäli kuin tiedän, yksikään valmistaja ei vielä käytä tätä tekniikkaa (kallista – sotilaallinen / ilmailu- ja avaruustalous). Ne jatkavat perinteistä esikyllästettyjen kuitujen asettamista. Jotkut valmistajat puhuvat ”kuitujen kutomisesta” yhdestä putkesta toiseen pyöräkehykseen, mutta luulen, että tämä on ”neulominen” edistyneemmän valmistustekniikan kerrosten läpi.

En todellakaan tiedä kaikkia yksityiskohtia, mutta tiedän, että hiilikuitu on yleensä vahva ja joustava joihinkin suuntiin, eikä kovin vahva muissa. Joten kun rakennat kehyksen siitä, voit kohdistaa sen juuri niin, että kehys on taipuva ja vaimentaa iskut tavoilla, joilla kehysten on tarkoitus toimia, mutta jos painat siihen väärin (sano, pudota se sivuttain konkreettinen käyrä), se saattaa haljeta.

Mutta kuten ehkä edellinen kysymykseni teki selväksi, en ole varma 🙂