Miért gyenge a szénszál? Vagy ez?

A szénszál nem feltétlenül “gyenge” vagy “törékeny” anyag. Ha olyan átmérőjű és vastagságú csője lenne, mint a tipikus CF-nek, mint egy tipikus acél vázcsőnek, akkor ez a CF-cső rendkívül erős és tartós lenne.

Az olyan fémek, mint az acél és az alumínium, izotrop anyagok. Ez azt jelenti, hogy mechanikai tulajdonságaik minden irányban azonosak. Ha van acélkocka, akkor ugyanúgy reagál, függetlenül attól, hogy melyik irányba húzza vagy nyomja.

A szénszál kompozit anyag. Ez rengeteg kis szálkötegből áll, amelyeket epoxival tartanak össze.

Az acéltömb olyan, mint az acél, de a szénszál olyan, mint egy nagy szalmaköteg, amely össze van ragasztva. Az egyik irányban rendkívül erős, de ha oldalra tolja vagy húzza, összeomlik. Abban az egy dimenzióban, ahol erős, erősen erősebb, mint az acél. Más irányokban azonban meglehetősen gyenge.

Tehát a mérnökök ki tudták használni ezeket a tulajdonságokat a kerékpárvázakban. Kerékpárvázban az erők túlnyomó többsége elsődlegesen egyetlen Vékonyabbá és könnyebbé tehetik a csöveket, ugyanakkor megtartják a kívánt szilárdságot és merevséget.

Tehát nincs olyan mechanikai ok, amely miatt nem lehetne teljesen megterhelt túrakerékpárt vagy valami hasonlót Salsa Fargo-hoz gyártani szénváz, és ugyanolyan kemény és tartós is lehet. És valószínűleg könnyebb lenne, mint egy acél vagy alumínium váz. De ennek oka nem a piac, hanem a piac. A szénszál drága anyag, és nehéz vele dolgozni, és mechanikai tulajdonságai a legalkalmasabbak, ha nagyon könnyű alkalmazásokat igényel.

Amikor építsen acélkeretes kerékpárt, amikor a csövek elég hosszúak lesznek elég erősek ahhoz, hogy az acél izotróp tulajdonságai miatt ingyen megkapja az oldalirányú szilárdságot, az erőt, hogy ellenálljon a benne durranó dolgoknak, ellenálljon az ütközéseknek stb. >

Szénszálas keretben csak akkor szerezheti meg az erőt a többi dimenzióban, ha úgy dönt, hogy azt tervezi. A szénszálas kerékpárokban, ahol a súly komoly gondot jelent, a mérnöki döntés arról szólt, hogy nem a keretek erősek azokon a területeken. Megtehetnék, de úgy döntenek, hogy nem teszik, mert ez nem szükséges a rendeltetésszerű kerékpárokhoz.

Ha nehéz terhelésű kerékpárt építesz, akkor sok szén-dioxid-szál előnye elvész, és így lenne sokkal gazdaságosabb az acél vagy alumínium használata. Különösen akkor, ha egy pár töltött vizes palackot a táskájába dob, majdnem meghaladja a súlymegtakarítást.

Megjegyzések

• Kiváló válasz!
• Kemény és tartós keveréket kínál, és ezek teljesen különböznek egymástól. Az alumínium nem tartós, mivel fáraszt, a szén pedig nem fárasztja el. Mi a kemény? Szeretem a szenet, de a Salsa Fargo jó okból acél. Az acél hozama alacsonyabb, de katasztrofálisan nem bukik meg.
• @Blam: Az alumínium rengeteg tartós lehet. A tartósnak nincs ‘ nincs mérnöki meghatározása, és biztos, hogy míg Al nem ‘ nincs olyan tartóssági határa, mint az acél, a fáradtsági élet legyen elég nagy ahhoz, hogy nem kérdésessé tegye.Ezenkívül az összetett alkatrészek úgy is megépíthetők, hogy katasztrofálisan ne tönkremennek, azonban néhány olyan esetben, amikor manapság használják, ez a használat követelménye.
• Az alumínium kerékpárok fáradtsága nem jelent problémát.

Először egy felelősség kizárása: A szénszál-előállítással kapcsolatos tudásom nagy része repülőgépekből származik, nem kerékpárok. Azt is vegye figyelembe, hogy a szénszál nem az egyetlen összetett anyag, amelyet szoktak használni – csak egy alternatíva szempontjából a Kevlar-szálak is hasznosak lehetnek (a Kevlar erősebb, de ugyanakkor rugalmasabb is, mint a szén).

A szénszál erős, de nem reagál jól a pont stresszekre. Ez nagyrészt annak köszönhető, hogy alapvetően szövet (szénszálakból szőtt). Ha egyetlen ponton sok stresszt okoz, akkor csak néhány ilyen szénszálat terhel. Míg maguk a rostok (súlyuk szempontjából) rendkívül erősek, az egyes rostokat összetartó kötés sokkal gyengébb. Összehasonlításképpen gondoljon arra a csomagolószalagra, amelynek hosszában üvegszálas szálak futnak. Maga az üvegszál nagyon erős, de a műanyag csík és az őket összetartó “goo” sokkal gyengébb. Bár a részletek különböznek, ugyanaz az általános elképzelés vonatkozik a szénszálra is.

A pontos szilárdság az iránytól is függ. Mint fent említettem, a szénszál alapvetően szövetként szőtt szálaként indul ki. A kendőt ezután valamilyen epoxi-oldattal impregnálják (a felhasznált pontos epoxi az alkalmazástól függően változik), öntőformába rakják, vákuumzacskóba csomagolják ¹ , majd sütik az epoxi megkeményedésére. Különböző szövésekkel szerezheti be a ruhát, némelyikben azonos mennyiségű szénszál fut mindkét irányban, másoknál a szénszál (mondjuk) 80% -át az egyik irányba, és csak 20% -át a másik irányba. Gondolom, a kerékpár vázában használt CF többsége valószínűleg valahol közelebb van az utóbbi változathoz, a legtöbb szál egy cső hosszában fut, és lényegesen kevésbé fut át a cső kerületén.

Mindaddig, amíg ráérünk: a szén a kinyújtás szempontjából is körülbelül kétszer olyan erős, mint a tömörítés. Önnek általában körülbelül kétszer annyi rétege van, ahol elsősorban nyomóterhelésnek van kitéve.

¹ Vákuumzacskó azt jelenti, hogy egy nagy műanyag zacskót helyeznek az öntőforma és a leterített ruha köré, és a levegőt kiszívják. A külső levegő nyomása szorosan összefogja a ruharétegeket annak érdekében, hogy (megpróbálják) biztosítani, hogy amikor újra sütnek, akkor egyetlen rétegként működjenek, és ne külön rétegként. Ez csekély hatással van az erősségre, ha nyújtásnak vetik alá, de hatalmas hatással van, ha összenyomásnak vagy hajlításnak van kitéve.

Megjegyzések

• Érdekes válasz. Lehetséges-e szénszálat úgy használni, hogy olyan erős lehet, mint mondjuk az alumínium? ‘ Az a benyomásom támad, hogy a válasz igen, de vastagabb, nehezebb és drágább lenne.
• @neilfein: A GT Fury és a Santa Cruz V-10 Carbon lesikló hegyi kerékpár. ‘ minden bizonnyal kemények. Ezek határozottan ” vastagabbak, nehezebbek és drágábbak . ”
• @ neilfein: Ezt ‘ szinte lehetetlen megválaszolni anélkül, hogy sokat tennénk annak számszerűsítése érdekében, amelyről ‘ beszélsz. Nyersanyagként a CF sokkal erősebb, mint az alumínium, de ennek a szilárdságnak a kihasználására használható keret kialakítása sokkal nehezebb.
• +1 az irányirányú szilárdsággal kapcsolatos dolgokhoz . A Forma-1-es autók szénszálas felfüggesztésűek, és nevetséges erős a haladási tengely mentén (A hátsó szárnyak által generált kompresszió mennyisége hatalmas!), De rendszeresen megcsattan egy törmelékdarabokkal történő frontális ütközést követően. (viszonylag) alacsony sebesség.

A szénszál nagyon erős anyag, de mint minden más anyag egyes dolgokat jobban csinál, mint másokat. A Wikipédiából :

A szénszál feszített vagy hajlított állapotban nagyon erős, de gyenge összenyomva vagy nagy ütésnek kitéve (pl. egy szénszálas rúd rendkívül nehezen hajlítható, de kalapáccsal elütve könnyen megreped.)

Figyelembe véve hogy egy szénszálas váz képes alátámasztani a lovas súlyát plusz az összes olyan erőt, amelyet egy lovas ad hozzá (ami meghaladhatja a testtömegük többszörösét), korántsem gyenge. Mindez kevesebb, mint egy összehasonlítható alumínium vagy acél váz súlya.

De bizonyos típusú erők – mint például az éles ütések – károsíthatják a szálakat és az epoxi gyengíthetik az anyagot, ami kevésbé valószínű egy fém.És egy kis bilincs képes összenyomni a CF csövet, elegendő erő hatására (ezt megteheti vékony falú alumínium csövekkel is, de ez több erőfeszítést igényel).

Megjegyzések

• valójában ez a ‘ kemény ‘ anyag ellentéte. A kemény anyag megszakadás előtt képes megbirkózni egy nagy műanyag alakváltozással, az acél kemény, az öntöttvas vagy a CF nem. Gondolj műanyag = kemény, üveg = erős
• @mgb: megváltozott ” kemény ” ” strong ”
• Nagyon érdekes volt látni, hogy egy szénszálas hajtótengely összetörik egy autónál a vonószalagon. A nagyon nehéz AWD indításának hirtelen sokkja meglehetősen drámai meghibásodást okozott annak ellenére, hogy technikailag erősebb volt, mint egy tipikus acél hajtótengely.

Kicsit későn érkezett a partihoz, de itt a “ha ha” penneth: Amint azt fentebb megjegyeztük, a CF keretek általános gyártási módszere több réteg gyantával impregnált szál “felrakása”, különböző irányú optimalizálja a szilárdsági jellemzőket a várható terhelések és a váz szükséges teljesítménye szerint (pl. merev vagy rugalmas / hajlékony). Ebben az értelemben a CF pontosabban szabható a legkönnyebb tömeg követelményeihez. Mint minden mérnöki problémánál, Minden réteg lényegében kétdimenziós (gondoljuk x és y tengely egy lapos lap esetében), a harmadik dimenzió, vastagság (gondolom a z tengelyre) csak a rostrétegek felhalmozódása, de önmagában nem rendelkezik rostszilárdsággal, csak a gyantamátrix ereje, amely az összes szálat összetartja. Tehát az anyag vastagságán keresztül a CF kompozit szerkezetek a leggyengébbek. És a meghibásodás általános módját delaminálásnak nevezik (a rétegek közötti kapcsolat megszakad). Ez bekövetkezhet a felszínre mért ütéstől, és a rétegeken belüli bármilyen rétegképződés nem lesz külsőleg látható. Csak a beolvasások képesek észlelni a károsodás mértékét – az alacsony technológiájú módszer magában foglalja a felület kopogtatását és a csapok tónusában bekövetkező változások figyelemmel kísérését – ehhez képzett fülre van szükség, és a laikus számára kevésbé nyilvánvaló, hogy különbséget tegyen a tónus változása között. delaminálás és mondjuk az alapul szolgáló elrendezés változása miatt (extrák az egyesítések közelében stb.).

A delaminálás a CF keretek gyenge pontja, és véleményem szerint miért írhatók le ezek “erős”, de NEM “kemény” vagy “ellenáll a károsodásnak”. Mivel minden régi robbanás veszélyeztetheti a keret erősségét, és váratlan, hirtelen katasztrofális kudarchoz vezethet. A fém viszont túlterhelt állapotban fokozatosan termel – így a hirtelen meghibásodás (ha helyesen van kialakítva) kevésbé valószínű.

Tehát számomra mindig is az volt a nagy kérdés – ha lezuhanok egy CF kerékpárt, hogyan fogok tudd, hogy a hírnév még mindig strukturális integritású.

Kerékpárosként és mérnökként beszélek, aki korai pályafutásom során kompozit és kötött anyagokra szakosodott. A rétegtelenítés kockázatára a válasz az összetett anyagokban rejlik, ahol a szálak z (vastagság) dimenzióban is futnak. Ezt “kötött” rostszerkezetekkel lehet elérni, ahol a rostok összekapcsolják / összekapcsolják a rétegeket – a “kötött” rostot ezután egy formában tartják, és a folyékony gyantát injektálják és meggyógyítják. Ha jól tudom, még egyetlen gyártó sem használja ezt a technikát (költséges – katonai / repülőgép-költségvetési típusú dolgok). Folytatják az előzetesen impregnált szálak hagyományos elrendezését. Egyes gyártók arról beszélnek, hogy “szálakat fonnak össze” egyik csőből a másikba egy kerékpárvázban, de nem hiszem, hogy ez a “kötés” egy fejlettebb gyártási technika rétegein keresztül.

Valójában nem ismerem a részleteket, de tudom, hogy a szénszál bizonyos irányokban erős és rugalmas, másokban nem túl erős. Tehát, amikor egy keretet épít belőle, pontosan illesztheti úgy, hogy a keret hajlékony legyen és elnyelje az ütéseket a keretek működési módja szerint, de ha rossz nyomást gyakorol rá (mondjuk, oldalra dobja egy konkrét görbe), ez megrepedhet.

De, amire talán az előző előző kérdésem is világosan rámutatott, valójában nem vagyok biztos benne 🙂