Perché la fibra di carbonio è intrinsecamente debole? O è?

La fibra di carbonio non è “necessariamente un materiale” debole “o” fragile “. Se avessi un tubo dello stesso diametro e spessore del tipico tubo CF di un tipico tubo con telaio in acciaio, quel tubo CF sarebbe estremamente resistente e durevole.

I metalli come lacciaio e lalluminio sono materiali isotropi. Ciò significa che le loro proprietà meccaniche sono identiche in tutte le direzioni. Se hai un cubo di acciaio, risponderà allo stesso modo indipendentemente dalla direzione in cui lo tiri o lo spingi.

La fibra di carbonio è un materiale composito. Consiste in tonnellate di piccoli fasci di fibre tenuti insieme da una resina epossidica.

Un blocco di acciaio è, beh, come lacciaio, ma la fibra di carbonio è come un grande fascio di cannucce incollate insieme. In una direzione, è estremamente forte, ma se spingi o tiri di lato, collasserà. In quella dimensione in cui è forte, è molto più forte dellacciaio. Tuttavia, in altre direzioni è piuttosto fragile.

Quindi, gli ingegneri sono stati in grado di sfruttare queste proprietà nei telai delle biciclette. In un telaio della bicicletta, la stragrande maggioranza delle forze sono principalmente lungo un singolo dimensione. Possono rendere i tubi più sottili e leggeri pur mantenendo la forza e la rigidità desiderate.

Quindi, non cè motivo meccanico per cui non si possa costruire una bici da turismo a pieno carico o qualcosa come una Salsa Fargo con un telaio in carbonio e potrebbe essere altrettanto resistente e durevole. E probabilmente sarebbe più leggero di un telaio in acciaio o alluminio. Ma il motivo per cui non viene fatto è a causa del mercato. La fibra di carbonio è un materiale costoso e difficile da lavorare e le sue proprietà meccaniche sono più adatte per quando si richiedono applicazioni molto leggere.

Quando si costruire una bicicletta con telaio in acciaio, quando si ottengono i tubi sufficientemente resistenti lungo la loro lunghezza, che a causa delle proprietà isotropiche degli acciai, si ottiene gratuitamente la forza laterale, la forza per resistere agli urti contro di essa, resistere agli urti, ecc.

In un telaio in fibra di carbonio, non ottieni la forza nelle altre dimensioni a meno che tu non scelga di progettarlo in. Nelle biciclette in fibra di carbonio, dove il peso è una preoccupazione seria, la decisione ingegneristica è stata presa di non prendere i telai forti in quelle zone. Potrebbero farlo, ma scelgono di non farlo perché non è necessario per lo scopo previsto per la bici.

Quando costruisci una bici con carichi pesanti, perdi molti dei vantaggi delle fibre di carbonio, e così sarebbe molto più economico usare lacciaio o lalluminio. Soprattutto quando gettare un paio di bottiglie dacqua piene nella borsa è quasi superiore al risparmio di peso.

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• Risposta eccellente!
• Mescoli robusti e durevoli e sono totalmente diversi. Lalluminio non è durevole perché si affatica e il carbonio non si affatica. Cosè difficile? Mi piace il carbonio, ma una Salsa Fargo è acciaio per una buona ragione. Lacciaio ha un punto di snervamento inferiore ma non si guasta in modo catastrofico.
• @Blam: lalluminio può essere molto resistente. Il durevole ‘ t ha una definizione tecnica e certo, mentre Al ‘ non ha un limite di resistenza come lacciaio, la vita a fatica può essere abbastanza grande da renderlo un non problema.Inoltre i componenti compositi possono essere costruiti per non guastarsi in modo catastrofico, tuttavia in poche situazioni in cui vengono utilizzati oggi questo è un requisito di utilizzo.
• La durata a fatica della bici in alluminio non è un non-problema.

Prima una dichiarazione di non responsabilità: la maggior parte di ciò che so sulla fabbricazione in fibra di carbonio proviene dagli aerei, non biciclette. Si noti inoltre che la fibra di carbonio non è lunico composito che viene utilizzato: solo per unalternativa, anche le fibre di kevlar possono essere utili (il kevlar è più forte, ma anche più flessibile del carbonio).

La fibra di carbonio è resistente, ma non risponde bene alle sollecitazioni puntuali . Ciò è in gran parte dovuto al fatto che è fondamentalmente un tessuto (tessuto con fibre di carbonio). Se metti molto stress in un singolo punto, lo stress solo su alcune di quelle fibre di carbonio. Mentre le fibre stesse sono estremamente forti (per il loro peso), il legame che tiene insieme le singole fibre è molto più debole. Per fare un confronto, pensa al nastro da imballaggio che ha fibre di fibra di vetro che corrono lungo la sua lunghezza. La stessa fibra di vetro è davvero resistente, ma la striscia di plastica e “viscosità” che le tiene insieme è molto più debole. Sebbene i dettagli differiscano, la stessa idea generale si applica anche alla fibra di carbonio.

La resistenza esatta dipende anche dalla direzione. Come ho detto sopra, la fibra di carbonio inizia fondamentalmente come fili intrecciati in tessuto. Il panno viene quindi impregnato con una sorta di resina epossidica (lesatta resina epossidica utilizzata varia a seconda dellapplicazione), adagiata in uno stampo, insaccata sotto vuoto ¹ , quindi cotta per indurire la resina epossidica. Puoi ottenere il tessuto in varie trame diverse, alcune con la stessa quantità di fibra di carbonio che scorre in ciascuna direzione, altre con (diciamo) l80% della fibra di carbonio in una direzione e solo il 20% nellaltra direzione. A prima vista, la maggior parte del CF utilizzato nel telaio di una bicicletta è probabilmente da qualche parte più vicino a questultima varietà, con la maggior parte dei fili che corrono lungo la lunghezza di un tubo e notevolmente meno che corrono attorno alla circonferenza del tubo.

Finché ci siamo: il carbonio è anche circa due volte più resistente rispetto ad essere allungato rispetto a quando viene compresso. Di solito avrai circa il doppio degli strati dove è principalmente sottoposto a un carico di compressione.

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¹ Il confezionamento sottovuoto significa che un grande sacchetto di plastica viene posizionato attorno allo stampo e al panno avvolto e laria viene aspirata. La pressione dellaria allesterno tiene insieme gli strati di tessuto per (cercare di) assicurarsi che quando vengono “cotti, agiscano come un unico strato, non come strati separati. Questo ha scarso effetto sulla forza quando sottoposto a stiramento, ma un effetto enorme se sottoposto a compressione o flessione.

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• Risposta interessante. È possibile utilizzare la fibra di carbonio in modo tale che possa essere forte come, ad esempio, lalluminio? ‘ ho limpressione che la risposta sia sì, ma sarebbe più spessa, più pesante e più costosa.
• @neilfein: il GT Fury e Santa Cruz V-10 Carbon sono mountain bike da corsa in discesa. Sono ‘ certamente tosti. Sono decisamente ” più spesse, più pesanti e più costose . ”
• @ neilfein: È quasi impossibile rispondere a ‘ senza fare molto per quantificare ciò di cui ‘ stai parlando. Come materia prima, il CF è molto più resistente dellalluminio, ma progettare un telaio utilizzabile per trarne vantaggio è molto più difficile.
• +1 per le cose sulla resistenza direzionale . Le vetture di Formula 1 hanno sospensioni realizzate in fibra di carbonio, ed è incredibilmente forte lungo lasse di marcia (la quantità di compressione generata da quelle ali posteriori è enorme!), Ma si piega regolarmente a seguito di un impatto frontale con pezzi di detriti a (relativamente) basse velocità.

La fibra di carbonio è un materiale molto resistente, ma come qualsiasi materiale fa alcune cose meglio di altre. Da Wikipedia :

La fibra di carbonio è molto resistente quando tesa o piegata, ma debole se compressa o esposta a forti urti (ad es. una barra in fibra di carbonio è estremamente difficile da piegare, ma si spezzerà facilmente se colpita con un martello).

Considerando che un telaio in fibra di carbonio possa sostenere il peso di un ciclista più tutte le forze che un ciclista aggiunge (che possono superare molte volte il proprio peso corporeo) non è affatto debole. Tutto questo per meno del peso di un telaio in alluminio o acciaio paragonabile.

Ma alcuni tipi di forze, come gli impatti acuti, possono danneggiare le fibre e la resina epossidica indebolendo il materiale, cosa meno probabile con un metallo.E un piccolo morsetto può schiacciare un tubo CF, data una forza sufficiente (puoi farlo anche con tubi in alluminio a pareti sottili, ma richiede uno sforzo maggiore).

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• in realtà questo è esattamente lopposto di un materiale ‘ duro ‘. Un materiale resistente può sopportare una grande deformazione plastica prima della rottura, lacciaio è resistente, la ghisa o CF non lo sono. Pensa alla plastica = dura, al vetro = forte
• @mgb: cambiato ” resistente ” a ” strong ”
• È stato davvero interessante vedere un albero di trasmissione in fibra di carbonio frantumarsi su unauto in corrispondenza della striscia di trascinamento. Lo shock improvviso di un lancio molto violento di AWD ha causato un guasto piuttosto drammatico nonostante fosse tecnicamente più forte di un tipico albero di trasmissione in acciaio.

Un po in ritardo per la festa, ma ecco “è il mio ha” penneth: come notato sopra, un metodo di produzione comune di montature CF prevede il “raggruppamento” di più strati di fibre impregnate di resina di orientamenti diversi per ottimizzare le caratteristiche di resistenza in base ai carichi attesi e alle prestazioni richieste del telaio (es. rigido vs flessibile / flessibile). In questo senso CF può essere adattato più precisamente a una serie di requisiti per il peso più leggero. Come per ogni problema di ingegneria ci sono Ogni livello è essenzialmente bidimensionale (pensa x e asse y per un foglio piatto), la terza dimensione, lo spessore (si pensi allasse z) è solo laccumulo di strati di fibre ma non ha alcuna resistenza delle fibre di per sé, solo la forza della matrice di resina che tiene insieme tutte le fibre. Quindi è attraverso lo spessore del materiale che le strutture composite CF sono più deboli. E una modalità comune di guasto è nota come delaminazione (il legame tra gli strati fallisce). Questo può accadere da un colpo alla superficie e qualsiasi delaminazione allinterno degli strati non sarà visibile esternamente. Solo le scansioni possono rilevare lentità di qualsiasi danno – il metodo a bassa tecnologia prevede di toccare la superficie e ascoltare eventuali cambiamenti di tono dei tocchi – richiede un orecchio allenato ed è meno ovvio per il profano distinguere tra un cambiamento di tono a causa di una delaminazione rispetto a un cambiamento nel layup sottostante (extr strati vicino ai join ecc …).

La delaminazione è il punto debole dei frame CF e perché, a mio parere, possono essere descritti come “forte” ma NON “duro” o “resistente ai danni”. Dal momento che qualsiasi vecchio botto potrebbe mettere a repentaglio la resistenza del telaio e portare a un inaspettato guasto catastrofico. Il metallo, daltra parte, cede gradualmente quando sovraccarico, quindi è meno probabile che si verifichi un guasto improvviso (se progettato correttamente).

Quindi la grande domanda per me è sempre stata: se dovessi schiantare una bici CF come farò so che la fama ha ancora integrità strutturale.

Parlo come ciclista e ingegnere specializzato allinizio della mia carriera in materiali compositi e incollati. La risposta al rischio di delaminazione sta nei materiali compositi dove le fibre corrono anche nella dimensione z (spessore). Ciò può essere ottenuto attraverso strutture di fibre “lavorate a maglia” in cui le fibre collegano / bloccano insieme gli strati: la “maglia” di fibra secca viene quindi tenuta in uno stampo e la resina liquida viene iniettata e polimerizzata. Per quanto ne so, nessun produttore utilizza ancora questa tecnica (costosa – roba di tipo budget militare / aerospaziale). Continuano con il tradizionale metodo di stratificazione delle fibre preimpregnate. Alcuni produttori parlano di “tessere fibre insieme” da un tubo allaltro nel telaio di una bicicletta, ma non credo che questo sia il “lavoro a maglia” attraverso gli strati di una tecnica di produzione più avanzata.

In realtà non conosco tutti i dettagli, ma so che la fibra di carbonio tende ad essere forte e flessibile in alcune direzioni, e non molto forte in altre. Quindi, quando ne costruisci un telaio, puoi allinearlo esattamente in modo che il telaio sia flessibile e assorba gli urti nel modo in cui dovrebbero funzionare i telai, ma se applichi la pressione sbagliata (ad esempio, fallo cadere lateralmente su una curva concreta), potrebbe incrinarsi.

Ma, come forse è stato chiarito dalla mia domanda precedente , “non sono sicuro 🙂