なぜ炭素繊維は本質的に弱いのですか？またはそれは？

炭素繊維は必ずしも「弱い」または「壊れやすい」材料ではありません。典型的な鉄骨フレーム管と同じ直径と厚さの典型的なCFの管がある場合、そのCF管は非常に丈夫で耐久性があります。

鋼やアルミニウムなどの金属は等方性材料です。つまり、それらの機械的特性はすべての方向で同一です。鋼の立方体がある場合、それを引っ張ったり押したりする方向に関係なく、同じように反応します。

炭素繊維は複合材料です。それはエポキシで一緒に保持された繊維の小さな束のトンで構成されています。

鋼のブロックは、まあ、鋼のようですが、炭素繊維は、一緒に接着されたストローの大きな束のようなものです。一方向は非常に強いですが、横に押したり引いたりすると倒れます。それが強いその一次元では、それは鋼よりもはるかに強いです。ただし、他の方向では、それはかなり薄っぺらです。

したがって、エンジニアは自転車のフレームでこれらの特性を利用することができました。自転車のフレームでは、力の大部分が主に単一に沿っています。寸法。チューブを細く軽量にすることができますが、それでも必要な強度と剛性を維持できます。

したがって、フル装備のツーリングバイクやSalsaFargoのようなものを構築できなかった機械的な理由はありません。カーボンフレーム、そしてそれは同じように丈夫で耐久性があるかもしれません。そして、それはおそらくスチールやアルミニウムのフレームよりも軽いでしょう。しかし、それが行われない理由は市場のためです。炭素繊維は高価な材料であり、取り扱いが困難であり、その機械的特性は非常に軽い用途を要求する場合に最適です。

スチールフレームのバイクを作ります。チューブの長さに沿って十分な強度が得られると、スチールの等方性により、横方向の強度が無料になり、物がぶつかったり、衝突に耐えたりするのに耐える強度が得られます。

カーボンファイバーフレームでは、設計することを選択しない限り、他の次元の強度は得られません。重量が深刻な懸念事項であるカーボンファイバーバイクでは、エンジニアリング上の決定がなされています。それらの領域で強いフレーム。彼らはそうすることができましたが、バイクの意図された目的には必要ないため、そうしないことを選択しました。

高負荷のバイクを作ると、炭素繊維の利点がたくさん失われます。スチールやアルミニウムを使用する方がはるかに経済的です。特に、パニエに水を入れたボトルを2本投げると、軽量化をほぼ超えます。

コメント

• すばらしい答えです！
• あなたはタフで耐久性のあるものを混ぜ合わせます、そしてそれらは完全に異なります。アルミニウムは疲労し、カーボンは疲労しないため、耐久性がありません。タフとは？私はカーボンが好きですが、SalsaFargoは正当な理由でスチールです。鋼の降伏点は低くなりますが、壊滅的に故障することはありません。
• @Blam：アルミニウムは十分な耐久性があります。耐久性には'工学的な定義がありません。確かに、Alには'鋼のような耐久限度がありませんが、疲労寿命はそれを問題としないようにするのに十分な大きさである。さらに、複合コンポーネントは壊滅的に故障しないように構築できますが、今日使用されているいくつかの状況では、使用が必要です。
• アルミニウムバイクの疲労寿命は問題ではありません。

最初の免責事項：炭素繊維の製造について私が知っていることのほとんどは航空機からのものであり、 自転車。また、使用される複合材料は炭素繊維だけではないことにも注意してください。1つの選択肢として、ケブラー繊維も有用です（ケブラーは炭素よりも強力ですが、柔軟性もあります）。

炭素繊維は強力ですが、ポイントのストレスにはうまく反応しません。これは主に、それが基本的に布（炭素繊維で織られている）であるためです。一点に多くの応力をかけると、それらの炭素繊維のいくつかだけにその応力がかかります。繊維自体は（その重量に対して）非常に強力ですが、個々の繊維を一緒に保持する結合ははるかに弱いです。比較のために、グラスファイバー繊維がその長さに沿って走っているパッキングテープを考えてみてください。グラスファイバー自体は本当に強いですが、プラスチックのストリップとそれらを一緒に保持する「グー」ははるかに弱いです。詳細は異なりますが、同じ一般的な考え方が炭素繊維にも当てはまります。

正確な強度は方向にも依存します。上で述べたように、炭素繊維は基本的に布に織り込まれた糸として始まります。次に、布にある種のエポキシを含浸させ（使用するエポキシの正確さは用途によって異なります）、型に入れ、真空バッグに入れて ¹ 、焼き付けてエポキシを硬化させます。布はさまざまな織り方で入手できます。各方向に同じ量の炭素繊維が走っているものもあれば、（たとえば）一方向に炭素繊維の80％があり、他の方向には20％しかないものもあります。推測では、自転車のフレームで使用されるCFのほとんどは、おそらく後者の種類に近いところにあり、ほとんどのスレッドはチューブの長さに沿って走っていて、チューブの周囲にはかなり少ないです。

私たちが「それをしている限り：炭素はまた、圧縮されるよりも伸ばされることに関して約2倍強いです。通常、主に圧縮荷重を受ける場所には約2倍の層があります。

¹ 真空袋詰めとは、大きなビニール袋を型と敷き詰めた布の周りに置き、空気を吸い出すことを意味します。外側の空気圧が布の層をしっかりと保持します。それらが焼かれるとき、それらが別々の層ではなく、単一の層として機能することを確実にするために（しようとします）。これは、ストレッチを行った場合の強度にはほとんど影響しませんが、圧縮または曲げを行った場合は大きな影響を及ぼします。

コメント

• 興味深い回答です。炭素繊維を、たとえばアルミニウムと同じくらいの強度で使用することは可能ですか？ '答えはイエスだという印象を受けますが、厚く、重く、高価になります。
• @neilfein： GT Fury と Santa Cruz V-10 Carbon は、ダウンヒルレーシングマウンテンバイクです。彼らは'確かにタフです。それらは間違いなく"より厚く、より重く、より高価です。"
• @ neilfein：'あなたが話しているストレスを定量化するために多くのことをしなければ、答えることはほとんど不可能です。'原材料として、CFはアルミニウムよりもはるかに強力ですが、その強度を利用するために使用可能なフレームを設計することは、はるかに困難です。
• +1は、指向性の強度に関するものです。 。フォーミュラワンカーはカーボンファイバー製のサスペンションを備えており、走行軸に沿って途方もなく強いです（これらのリアウィングによって生成される圧縮の量は膨大です！）が、での破片との正面衝突の後に定期的に座屈します（比較的）低速。

炭素繊維は非常に丈夫な素材ですが、他の素材と同じです。いくつかのことを他よりもうまくやっています。 ウィキペディアから：

炭素繊維は、伸ばしたり曲げたりすると非常に強くなりますが、弱いです圧縮されたとき、または強い衝撃にさらされたとき（たとえば、炭素繊維バーは非常に曲がりにくいですが、ハンマーで叩くと簡単に割れます）。

考慮事項カーボンファイバーフレームは、ライダーの体重に加えて、ライダーが加えるすべての力（体重の数倍を超える可能性があります）を支えることができるということは、決して弱いことではありません。これはすべて、同等のアルミニウムまたは鉄骨フレームの重量よりも軽いためです。

しかし、鋭い衝撃などの特定の種類の力は、繊維やエポキシを損傷して材料を弱める可能性があります。金属。また、小さなクランプは十分な力があればCFチューブを押しつぶす可能性があります（これは薄肉のアルミニウムチューブでも可能ですが、より手間がかかります）。

コメント

• 実際、これは'タフな'素材とは正反対です。強靭な材料は破壊する前に大きな塑性変形に対処できますが、鋼は強靭ですが、鋳鉄やCFはそうではありません。プラスチック=タフ、ガラス=強い
• @mgb："タフ"を strong "
• ドラッグストリップで車のカーボンファイバードライブシャフトが粉々になるのを見るのは本当に面白かったです。非常にハードなAWDの打ち上げの突然の衝撃は、通常のスチール製ドライブシャフトよりも技術的に強力であるにもかかわらず、かなり劇的な故障を引き起こしました。

パーティーに少し遅れましたが、ここに私のハペネスがあります：上記のように、CFフレームの一般的な製造方法には、異なる方向の樹脂含浸繊維の複数の層を「レイアップ」することが含まれます。フレームの予想される荷重と必要な性能（たとえば、剛性vsしなやか/柔軟性）に応じて強度特性を最適化します。この意味で、CFは、最軽量の一連の要件に合わせてより正確に調整できます。すべてのエンジニアリングの問題と同様に、各レイヤーは本質的に2次元です（xと考えてください）平らなシートの場合はy軸）、3番目の次元の厚さ（z軸と考えてください）は繊維の層の蓄積だけですが、繊維の強度自体はなく、すべての繊維を一緒に保持する樹脂マトリックスからの強度のみです。したがって、CF複合構造が最も弱いのは、材料の厚さによるものです。また、一般的な破損モードは層間剥離（層間の結合が破損）として知られています。これは表面への打撃から発生する可能性があり、層内の層間剥離は外部からは見えません。スキャンだけが損傷の程度を検出できます-ローテクの方法では、表面を軽くたたき、タップのトーンの変化を聞く必要があります-訓練された耳が必要であり、素人がトーンの変化を区別することはあまり明白ではありません層間剥離と、下にあるレイアップの変化（接合部の近くの外部層など）によるものです。

剥離はCFフレームの弱点であり、私の意見では、次のように説明される場合があります。 「強い」が「丈夫」または「損傷に強い」ではない。古い強打はフレームの強度を危険にさらし、予期しない突然の壊滅的な障害につながる可能性があるためです。一方、金属は過負荷になると徐々に降伏します-したがって、突然の故障（正しく設計されている場合）が発生する可能性は低くなります。

したがって、私にとっての大きな問題は常にです-CFバイクをクラッシュさせた場合、どうすればよいですか？名声にはまだ構造的な完全性があることを知っています。

私は、複合材料と接着材料の初期のキャリアを専門とするサイクリストおよびエンジニアとして話します。層間剥離のリスクに対する答えは、繊維もz（厚さ）次元で走る複合材料にあります。これは、繊維が層を結合/ロックする「ニット」繊維構造によって達成される可能性があります。次に、乾燥繊維「ニット」が型に保持され、液体樹脂が注入されて硬化されます。私の知る限り、この手法を使用しているメーカーはまだありません（コストがかかる-軍事/航空宇宙予算タイプのもの）。彼らは、プリプレグ繊維法の伝統的なレイアップを続けています。一部のメーカーは、自転車のフレームで1つのチューブから別のチューブに「繊維を織り合わせる」と言っていますが、これはより高度な製造技術の層を介した「編み物」ではないと思います。

詳細はわかりませんが、炭素繊維はある方向では強くて柔軟性があり、他の方向ではあまり強くない傾向があることは知っています。したがって、フレームを作成するときは、フレームが曲がり、フレームの動作方法で衝撃を吸収するようにフレームを適切に配置できますが、間違った圧力をかけると（たとえば、横に落とすなど）具体的な曲線）、ひびが入る可能性があります。

しかし、前の質問で明らかになったように、実際にはわかりません。 🙂