Pourquoi la fibre de carbone est-elle intrinsèquement faible? Ou est-ce?

La fibre de carbone nest pas nécessairement un matériau « faible » ou « fragile ». Si vous aviez un tube du même diamètre et de la même épaisseur de CF typique quun tube de cadre en acier typique, ce tube CF serait extrêmement solide et durable.

Les métaux comme lacier et laluminium sont des matériaux isotropes. Cela signifie que leurs propriétés mécaniques sont identiques dans toutes les directions. Si vous avez un cube dacier, il répondra de la même manière quelle que soit la direction dans laquelle vous tirez ou poussez dessus.

La fibre de carbone est un matériau composite. Il se compose de tonnes de petits faisceaux de fibres maintenues ensemble par un époxy.

Un bloc dacier, cest comme lacier, mais la fibre de carbone est comme un gros paquet de pailles collées ensemble. Dans un sens, il est extrêmement fort, mais si vous poussez ou tirez sur le côté, il seffondrera. Dans cette seule dimension où il est fort, il est beaucoup plus résistant que lacier. Cependant, dans dautres directions, cest plutôt fragile.

Ainsi, les ingénieurs ont pu exploiter ces propriétés dans les cadres de vélo. Dans un cadre de vélo, la grande, très grande majorité des forces sexercent principalement sur un seul Ils peuvent rendre les tubes plus fins et plus légers tout en conservant la résistance et la rigidité souhaitées.

Il ny a donc aucune raison mécanique pour laquelle vous ne pouviez pas construire un vélo de randonnée entièrement chargé ou quelque chose comme un Salsa Fargo avec un cadre en carbone, et il pourrait être tout aussi solide et durable. Et ce serait probablement plus léger quun cadre en acier ou en aluminium. Mais la raison pour laquelle ce nest pas fait est à cause du marché. La fibre de carbone est un matériau coûteux et difficile à travailler, et ses propriétés mécaniques sont mieux adaptées lorsque vous exigez des applications très légères.

Lorsque vous construire un vélo à cadre en acier, lorsque vous obtenez les tubes suffisamment solides sur leur longueur, quen raison des propriétés isotropes de lacier, vous obtenez gratuitement la résistance latérale, la force de résister aux chocs, aux accidents, etc.

Dans un cadre en fibre de carbone, vous nobtenez la résistance dans les autres dimensions que si vous choisissez de le concevoir. Dans les vélos en fibre de carbone, où le poids est un problème sérieux, la décision technique a été prise de ne pas prendre les cadres solides dans ces domaines. Ils pourraient le faire, mais ils choisissent de ne pas le faire parce que ce nest pas nécessaire pour lusage auquel ils sont destinés.

Lorsque vous construisez un vélo lourdement chargé, vous perdez une grande partie des avantages des fibres de carbone, et ce serait le cas beaucoup plus économique dutiliser lacier ou laluminium. Surtout lorsque jeter quelques bouteilles deau remplies dans votre sacoche dépasse presque les économies de poids.

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• Excellente réponse!
• Vous mélangez dur et durable et ils sont totalement différents. Laluminium nest pas durable car il fatigue et le carbone ne fatigue pas. Quest-ce qui est dur? Jaime le carbone mais une Salsa Fargo est en acier pour une bonne raison. Lacier a un seuil délasticité inférieur, mais il ne tombe pas en panne de manière catastrophique.
• @Blam: Laluminium peut être très durable. Durable na pas ‘ une définition technique, et bien sûr, alors quAl na ‘ pas une limite dendurance comme lacier, la résistance à la fatigue peut être assez grand pour en faire un non-problème.De plus, les composants composites peuvent être construits pour ne pas tomber en panne de manière catastrophique, mais dans peu de situations où ils sont utilisés aujourdhui, cest une condition dutilisation.
• La durée de vie en fatigue du vélo en aluminium nest pas un problème.

Dabord un avertissement: la plupart de ce que je sais sur la fabrication de fibre de carbone vient des avions, pas vélos. Notez également que la fibre de carbone nest pas le seul composite utilisé – juste pour une alternative, les fibres de Kevlar peuvent également être utiles (le Kevlar est plus résistant, mais aussi plus flexible que le carbone).

La fibre de carbone est solide, mais ne répond pas bien aux contraintes ponctuelles . Cest en grande partie parce que cest essentiellement du tissu (tissé à partir de fibres de carbone). Si vous mettez beaucoup de stress à un seul point, vous mettez ce stress sur seulement quelques-unes de ces fibres de carbone. Alors que les fibres elles-mêmes sont extrêmement résistantes (pour leur poids), la liaison qui maintient les fibres individuelles ensemble est beaucoup plus faible. À titre de comparaison, pensez au ruban demballage qui a des fibres de fibre de verre sur toute sa longueur. La fibre de verre elle-même est vraiment résistante, mais la bande de plastique et de « glu » qui les maintient ensemble est beaucoup plus faible. Bien que les détails diffèrent, la même idée générale sapplique également à la fibre de carbone.

La résistance exacte dépend également de la direction. Comme je lai dit ci-dessus, la fibre de carbone commence par être essentiellement des fils tissés en tissu. Le tissu est ensuite imprégné dune sorte dépoxy (lépoxy exact utilisé varie selon lapplication), mis dans un moule, mis sous vide ¹ , puis cuit pour durcir lépoxy. Vous pouvez obtenir le tissu dans différents tissages, certains avec la même quantité de fibre de carbone dans chaque direction, dautres avec (par exemple) 80% de fibre de carbone dans un sens et seulement 20% dans lautre sens. À une supposition, la plupart des CF utilisés dans un cadre de vélo sont probablement quelque part plus proches de cette dernière variété, la plupart des filets sétendant sur la longueur dun tube et considérablement moins autour de la circonférence du tube.

Tant que nous y sommes: le carbone est également environ deux fois plus résistant à létirement quà la compression. Vous aurez généralement environ deux fois plus de plis là où il est principalement soumis à une charge de compression.

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¹ Lemballage sous vide signifie quun grand sac en plastique est placé autour du moule et du tissu étalé, et lair est aspiré. La pression de lair à lextérieur maintient les couches de tissu serrées ensemble pour (essayer de) sassurer que lorsquils sont «cuits au four, ils agissent comme une seule couche et non comme des couches séparées. Cela a peu deffet sur la résistance lorsquil est soumis à un étirement, mais un effet énorme lorsquil est soumis à une compression ou à une flexion.

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• Réponse intéressante. Est-il possible dutiliser la fibre de carbone de manière à ce quelle soit aussi résistante que, par exemple, laluminium? Jai ‘ limpression que la réponse est oui, mais ce serait plus épais, plus lourd et plus cher.
• @neilfein: Le GT Fury et le Santa Cruz V-10 Carbon sont des VTT de course de descente. Ils ‘ sont certainement difficiles. Ils sont certainement  » plus épais, plus lourds et plus chers .  »
• @ neilfein: Il est presque impossible de répondre ‘ sans faire beaucoup pour quantifier ce dont vous ‘ parlez. En tant que matière première, le CF est beaucoup plus résistant que laluminium, mais la conception dun cadre utilisable pour tirer parti de cette résistance est beaucoup plus difficile.
• +1 pour tout ce qui concerne la résistance directionnelle . Les voitures de Formule 1 ont une suspension en fibre de carbone, et il est ridicule fort le long de laxe de déplacement (la quantité de compression générée par ces ailes arrière est énorme!), Mais elle se déforme régulièrement suite à un impact frontal avec des débris à des vitesses (relativement) faibles.

La fibre de carbone est un matériau très résistant, mais comme tout autre matériau, il fait certaines choses mieux que dautres. De Wikipedia :

La fibre de carbone est très résistante lorsquelle est étirée ou courbée, mais faible lorsquelle est comprimée ou exposée à des chocs importants (par exemple, une barre en fibre de carbone est extrêmement difficile à plier, mais se fissurera facilement si elle est frappée avec un marteau).

Considérant quun cadre en fibre de carbone peut supporter le poids dun cavalier plus toutes les forces quun cavalier ajoute (qui peuvent dépasser plusieurs fois son poids corporel), il nest en aucun cas faible. Tout cela pour moins que le poids dun cadre en aluminium ou en acier comparable.

Mais certains types de forces – comme les chocs violents – peuvent endommager les fibres et lépoxy affaiblissant le matériau, ce qui est moins probable avec un métal.Et une petite pince peut écraser un tube CF, avec suffisamment de force (vous pouvez également le faire avec un tube en aluminium à paroi mince, mais cela demande plus defforts).

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• Cest en fait tout le contraire dun matériau ‘ dur ‘. Un matériau résistant peut supporter une grande déformation plastique avant la rupture, lacier est résistant, la fonte ou le CF ne le sont pas. Pensez plastique = résistant, verre = solide
• @mgb: modification de  » hard  » en  » strong  »
• Cétait vraiment intéressant de voir un arbre de transmission en fibre de carbone se briser sur une voiture au niveau de la piste de freinage. Le choc soudain dun lancement très dur de la traction intégrale a provoqué une panne assez dramatique, bien quil soit techniquement plus solide quun arbre de transmission en acier typique.

Je pense que cela vaut également la peine de souligner que si la fibre de carbone peut être posée pour être très résistante, elle nest pas du tout ductile, comme lacier ou (dans une moindre mesure) laluminium. Vous pouvez mettre une bosse de taille assez bonne dans un cadre en métal et toujours le conduire à la maison, mais si vous mettez une bosse dans la fibre de carbone, vous avez probablement compromis lensemble du tube au point que vous ne devriez probablement pas monter dessus. juste beaucoup plus fragile, donc la déformation signifie la rupture, là où dans les métaux, cela signifie généralement que quelque chose est étiré ou comprimé, ce qui nuit comparativement moins à lintégrité structurelle.

Un peu tard à la fête mais voici « s my ha » penneth: Comme indiqué ci-dessus, une méthode de fabrication courante de cadres CF consiste à « mettre en place » plusieurs couches de fibres imprégnées de résine dorientations différentes pour optimiser les caractéristiques de résistance en fonction des charges attendues et des performances requises du cadre (par exemple, rigide vs souple / flexibe). Dans ce sens, CF peut être plus précisément adapté à un ensemble dexigences pour le poids le plus léger. Comme pour tout problème dingénierie, il existe compromis. Chaque couche est essentiellement bidimensionnelle (pensez à x et axe y pour une feuille plate), la troisième dimension, lépaisseur (pensez à laxe z) est juste laccumulation de couches de fibres mais na pas de résistance de fibre en soi, seulement la résistance de la matrice de résine qui maintient toutes les fibres ensemble. Cest donc par lépaisseur du matériau que les structures composites CF sont les plus fragiles. Et un mode de défaillance courant est connu sous le nom de délaminage (la liaison entre les couches échoue). Cela peut se produire à la suite dun coup sur la surface et toute délamination dans les couches ne sera pas visible de lextérieur. Seuls les scans peuvent détecter létendue de tout dommage – la méthode low-tech consiste à toucher la surface et à écouter tout changement de tonalité des robinets – cela nécessite une oreille entraînée et il est moins évident pour le profane de faire la différence entre un changement de ton. en raison dun délaminage versus disons un changement dans le layup sous-jacent (extr couches près des jointures etc …).

Le délaminage est le point faible des cadres CF et pourquoi, à mon avis, ils peuvent être décrits comme « fort » mais PAS « dur » ou « résistant aux dommages ». Étant donné que tout vieux bang pourrait compromettre la résistance du cadre et entraîner une panne catastrophique soudaine inattendue. Le métal, en revanche, cède progressivement lorsquil est surchargé – donc une défaillance soudaine (si elle est correctement conçue) est moins susceptible de se produire.

La grande question pour moi a toujours été: si je plante un vélo CF, comment vais-je sachez que la renommée a toujours lintégrité structurelle.

Je parle en tant que cycliste et ingénieur spécialisé au début de ma carrière dans les matériaux composites et collés. La réponse au risque de délaminage réside dans les matériaux composites où les fibres sétendent également dans la dimension z (épaisseur). Ceci peut être obtenu grâce à des structures de fibres « tricotées » où les fibres lient / verrouillent les couches ensemble – la fibre sèche « tricotée » est ensuite maintenue dans un moule et la résine liquide injectée et durcie. Pour autant que je sache, aucun fabricant nutilise encore cette technique (coûteuse – du type budget militaire / aérospatial). Ils continuent avec la méthode traditionnelle de stratification des fibres pré-imprégnées. Certains fabricants parlent de « tisser des fibres ensemble » dun tube à un autre dans un cadre de vélo, mais je ne pense pas que ce soit le « tricotage » à travers les couches dune technique de fabrication plus avancée.

Je ne connais pas vraiment tous les détails, mais je sais que la fibre de carbone a tendance à être solide et flexible dans certaines directions, et pas très forte dans dautres. Ainsi, lorsque vous construisez un cadre à partir de celui-ci, vous pouvez laligner juste pour que le cadre soit plié et absorbe les chocs de la manière dont les cadres sont censés fonctionner, mais si vous appliquez la mauvaise pression (disons, laissez-le tomber sur le côté). une courbe concrète), il pourrait se fissurer.

Mais, comme cela a peut-être été clairement indiqué par ma question précédente , je « ne suis pas vraiment sûr 🙂