탄소 섬유가 본질적으로 약한 이유는 무엇입니까? 아니면?

탄소 섬유는 반드시 “약한”또는 “깨지기 쉬운”물질이 아닙니다. 일반적인 강철 프레임 튜브와 같은 직경과 두께의 튜브를 가지고 있다면 그 CF 튜브는 매우 강하고 내구성이 있습니다.

강과 알루미늄과 같은 금속은 등방성 재료입니다. 즉, 기계적 특성이 모든 방향에서 동일합니다. 강철 입방체가 있다면 어떤 방향으로 당기거나 밀 었는지에 관계없이 동일한 반응을 보입니다.

탄소 섬유는 복합 재료입니다. 그것은 에폭시와 함께 묶인 섬유의 작은 묶음으로 구성됩니다.

강철 블록은 강철과 비슷하지만 탄소 섬유는 큰 짚 묶음과 같습니다. 한 방향으로는 매우 강하지 만 옆으로 밀거나 당기면 무너집니다. 그것이 강한 한 차원에서 그것은 강철보다 훨씬 더 강합니다. 그러나 다른 방향에서는 다소 약합니다.

따라서 엔지니어는 자전거 프레임에서 이러한 속성을 활용할 수있었습니다. 자전거 프레임에서 대부분의 힘은 주로 단일 튜브를 더 얇고 가벼우면서도 원하는 강도와 강성을 유지할 수 있습니다.

따라서 완전히로드 된 투어링 자전거 나 Salsa Fargo와 같은 것을 만들 수없는 기계적 이유가 없습니다. 카본 프레임으로 견고하고 내구성이 있습니다. 그리고 아마도 강철이나 알루미늄 프레임보다 가볍습니다. 그러나 그렇게되지 않는 이유는 시장 때문입니다. 탄소 섬유는 값 비싼 재료이고 작업하기 어렵고 기계적 특성은 매우 가벼운 응용 분야를 요구할 때 가장 적합합니다.

강철 프레임 자전거를 만드세요. 튜브를 길이에 따라 충분히 강하게 만들면 강철의 등방성 특성으로 인해 측면 강도를 무료로 얻을 수 있고 물건이 부딪 치는 것을 견딜 수있는 강도, 충돌을 견딜 수있는 강도 등을 얻을 수 있습니다.

탄소 섬유 프레임에서는 디자인을 선택하지 않는 한 다른 차원의 강도를 얻지 못합니다. 무게가 심각한 문제인 탄소 섬유 자전거에서는 만들지 않기로 한 엔지니어링 결정이 내려졌습니다. 그 영역에서 강한 프레임. 그렇게 할 수는 있지만 자전거가 의도 한 목적에 필요하지 않기 때문에 그렇게하지 않기로 결정했습니다.

무거운 자전거를 만들면 탄소 섬유의 장점을 많이 잃게됩니다. 강철이나 알루미늄을 사용하는 것이 훨씬 경제적입니다. 특히 패니어에 물병 두 개를 넣을 때 무게 절감 효과를 거의 초과 할 수 있습니다.

댓글

• 훌륭한 답변입니다!
• 당신은 견고하고 내구성이 있으며 완전히 다릅니다. 알루미늄은 피로하고 탄소가 피로하지 않기 때문에 내구성이 없습니다. 힘든 것은 무엇입니까? 나는 탄소를 좋아하지만 Salsa Fargo는 타당한 이유로 강철입니다. 강철은 항복점이 낮지 만 치명적인 고장은 아닙니다.
• @Blam : 알루미늄은 내구성이 뛰어납니다. 내구성은 ‘ 엔지니어링 정의가 없으며 Al은 ‘ 강철과 같은 내구성 한계가 없지만 피로 수명은 문제가되지 않을만큼 훌륭해야합니다.또한 복합 구성 요소는 치명적인 고장이 발생하지 않도록 제작할 수 있지만 오늘날 사용되는 몇 가지 상황에서 사용 요구 사항이 있습니다.
• 알루미늄 자전거의 피로 수명은 문제가되지 않습니다.

먼저 면책 조항 : 탄소 섬유 제조에 대해 제가 아는 대부분의 정보는 항공기에서 나온 것이지 아니라 합니다. em> 자전거. 또한 탄소 섬유는 사용되는 유일한 합성물이 아닙니다 . 한 가지 대안으로 Kevlar 섬유도 유용 할 수 있습니다 (Kevlar는 더 강하지 만 탄소보다 유연합니다).

탄소 섬유는 강하지 만 점 응력에 잘 반응하지 않습니다. 이것은 기본적으로 천 (탄소 섬유로 짜여진)이기 때문입니다. 한 지점에 많은 스트레스를 가하면 탄소 섬유 중 몇 개에만 스트레스를 가하게됩니다. 섬유 자체는 (무게에 비해) 매우 강하지 만 개별 섬유를 함께 묶는 결합력은 훨씬 약합니다. 비교를 위해 길이에 따라 유리 섬유 섬유가있는 패킹 테이프를 생각해보십시오. 유리 섬유 자체는 정말 강하지 만 플라스틱 조각과 이들을 함께 묶는 “끈적임”은 훨씬 약합니다. 세부 사항은 다르지만 동일한 일반적인 아이디어가 탄소 섬유에도 적용됩니다.

정확한 강도는 방향에 따라 다릅니다. 위에서 말했듯이 탄소 섬유는 기본적으로 천으로 짜여진 실로 시작됩니다. 그런 다음 천에 일종의 에폭시를 함침시키고 (사용되는 정확한 에폭시는 용도에 따라 다름) 몰드에 놓고 진공 포장 ¹ 한 다음 베이킹하여 에폭시를 굳 힙니다. 천은 다양한 직조로, 일부는 각 방향으로 동일한 양의 탄소 섬유를 사용하고, 다른 일부는 한 방향으로 탄소 섬유의 80 %, 다른 방향으로 20 % 만 사용합니다. 짐작에, 자전거 프레임에 사용되는 대부분의 CF는 아마도 후자의 종류에 더 가까운 어딘가에있을 것입니다. 대부분의 스레드가 튜브의 길이를 따라 흐르고 튜브의 둘레를 따라 움직이는 것은 상당히 적습니다.

해당하는 한 : 탄소는 압축 된 것보다 늘어나는 것에 비해 약 2 배 더 강합니다. 일반적으로 압축 하중을받는 부분에서는 일반적으로 약 2 배의 플라이를 갖게됩니다.

¹ 진공 포장이란 큰 비닐 봉지를 틀과 깔아 놓은 천 주위에 놓고 공기를 빨아들이는 것을 의미합니다. 바깥 쪽의 공기압은 천 층을 단단히 고정시킵니다. 구워 질 때 별도의 레이어가 아닌 단일 레이어로 작동하는지 확인합니다. 이것은 스트레칭을 할 때 강도에 거의 영향을 미치지 않지만 압축이나 구부리면 큰 영향을 미칩니다.

댓글

• 흥미로운 답변입니다. 탄소 섬유를 알루미늄처럼 튼튼하게 사용할 수 있습니까? ‘ 답은 예라는 인상을 받았지만 더 두껍고 무겁고 더 비쌉니다.
• @neilfein : GT Fury 및 Santa Cruz V-10 Carbon 은 내리막 경주 용 산악 자전거입니다. 그들은 ‘ 확실히 견고합니다. 확실히 ” 두껍고 무겁고 더 비쌉니다 . ”
• @ neilfein : ‘ 당신이 말하는 스트레스를 정량화하기 위해 많은 노력을 기울이지 않으면 ‘ 대답하기가 거의 불가능합니다. ‘ 원료로서 CF는 알루미늄보다 훨씬 강하지 만, 그 강도를 활용하기 위해 사용 가능한 프레임을 설계하는 것이 훨씬 더 어렵습니다.
• 방향 강도에 관한 사항은 +1 . 포뮬러 원 자동차는 카본 파이버로 만들어진 서스펜션을 가지고 있으며, 주행 축을 따라 엄청나게 강하지 만 (후방 날개에 의해 생성되는 압축의 양이 엄청납니다!) (상대적으로) 저속.

탄소 섬유는 매우 강한 소재이지만 다른 소재와 마찬가지로 어떤 일을 다른 것보다 더 잘합니다. Wikipedia 에서 :

탄소 섬유는 늘어나거나 구부러 질 때 매우 강하지 만 약합니다. 압축되거나 높은 충격에 노출되었을 때 (예 : 탄소 섬유 막대는 구부리기가 극히 어렵지만 망치로 치면 쉽게 깨집니다).

고려 탄소 섬유 프레임이 라이더의 무게와 라이더가 추가하는 모든 힘 (체중의 몇 배를 초과 할 수 있음)을 지탱할 수 있다는 점은 결코 약한 것이 아닙니다. 이 모든 것이 비슷한 알루미늄 또는 강철 프레임의 무게보다 적습니다.

그러나 날카로운 충격과 같은 특정 유형의 힘은 섬유를 손상시킬 수 있으며 에폭시는 재료를 약화시킬 수 있습니다. 금속.그리고 작은 클램프는 충분한 힘이 주어지면 CF 튜브를 부술 수 있습니다 (벽이 얇은 알루미늄 튜브에서도이 작업을 수행 할 수 있지만 더 많은 노력이 필요합니다).

댓글

• 실제로 이것은 ‘ 강인한 ‘ 자료와 정반대입니다. 거친 재료는 파괴되기 전에 큰 소성 변형에 대처할 수 있으며 강철은 강하고 주철 또는 CF는 그렇지 않습니다. plastic = tough, glass = strong
• @mgb : ” tough “를 strong ”
• 드래그 스트립에서 탄소 섬유 구동축이 자동차에서 부서지는 것을 보는 것은 정말 흥미로 웠습니다. 매우 단단한 AWD 발사의 갑작스러운 충격은 일반적인 강철 구동축보다 기술적으로 더 강함에도 불구하고 오히려 극적인 실패를 일으켰습니다.

탄소 섬유는 충분히 튼튼하게 쌓을 수 있지만 강철이나 알루미늄과 같이 연성이 전혀 없다는 점도 지적 할 가치가 있다고 생각합니다. 금속 프레임에 꽤 좋은 크기의 움푹 들어간 부분을 넣어도 집에 탈 수 있지만 탄소 섬유에 움푹 들어간 부분을 넣으면 튜브 전체가 타서는 안 될 정도로 손상되었을 것입니다. 훨씬 더 부서지기 쉬우므로 변형은 파손을 의미합니다. 금속에서는 일반적으로 무언가가 늘어나거나 압축되는 것을 의미하며 구조적 무결성을 비교적 덜 손상시킵니다.

파티에 늦었지만 여기에 제 하페 네스가 있습니다. 위에서 언급했듯이 CF 프레임의 일반적인 제조 방법은 다양한 방향의 수지 함침 섬유를 여러 층으로 “레이 업”하는 것입니다. 프레임의 예상 하중과 요구되는 성능에 따라 강도 특성을 최적화합니다 (예 : 강성 vs 유연 / 플렉시 브) 이러한 의미에서 CF는 가장 가벼운 무게에 대한 일련의 요구 사항에보다 정확하게 맞춤화 될 수 있습니다. 모든 엔지니어링 문제와 마찬가지로 각 레이어는 본질적으로 2 차원입니다 (x 평면 시트의 경우 y 축), 세 번째 차원, 두께 (z 축 생각)는 섬유 층의 축적 일뿐 섬유 강도 자체는 없으며 모든 섬유를 함께 유지하는 수지 매트릭스의 강도 만 갖습니다. 따라서 CF 복합 구조가 가장 약한 것은 재료의 두께입니다. 그리고 일반적인 실패 모드는 박리 (층 간의 결합 실패)로 알려져 있습니다. 이것은 표면에 대한 타격으로 인해 발생할 수 있으며 층 내의 박리가 외부에서 보이지 않습니다. 스캔으로 만 손상 정도를 감지 할 수 있습니다. 저 기술 방법은 표면을 두드리고 두드리는 소리의 음색 변화를 청취하는 것입니다. 숙련 된 귀가 필요하며 평신도가 음색 변화를 구별하기가 쉽지 않습니다. 박리와 기본 레이 업 (조인 근처의 외부 레이어 등)의 변경으로 인한 것입니다.

삭제는 CF 프레임의 약점이며 왜 제 생각에는 다음과 같이 설명 될 수 있습니다. “강함”이지만 “강함”또는 “손상 복원력”은 아닙니다. 오래된 강타는 프레임의 강도를 위태롭게 할 수 있으며 예기치 않은 갑작스런 치명적인 실패로 이어질 수 있습니다. 반면에 금속은 과부하가 걸리면 점차적으로 양보합니다. 따라서 갑작스런 고장 (올바르게 설계된 경우)이 발생할 가능성이 적습니다.

그래서 저에게 가장 큰 질문은 항상 CF 자전거를 충돌하면 어떻게 될까요? 명성이 여전히 구조적 무결성을 가지고 있음을 알고 있습니다.

나는 복합 재료 및 결합 재료 분야에서 초기 경력을 전문으로하는 사이클리스트이자 엔지니어로 말합니다. 박리 위험에 대한 해답은 섬유가 z (두께) 차원에서 실행되는 복합 재료에 있습니다. 이것은 섬유가 층을 서로 연결 / 고정하는 “편직 된”섬유 구조를 통해 달성 될 수 있습니다. 건조 섬유 “편직”은 몰드에 고정되고 액체 수지가 주입되고 경화됩니다. 내가 아는 한 아직이 기술을 사용하는 제조업체는 없습니다 (비용이 많이 드는 군 / 항공 우주 예산 유형 물건). 그들은 사전 함침 된 섬유의 전통적인 레이 업 방법을 계속합니다. 일부 제조업체는 자전거 프레임에서 한 튜브에서 다른 튜브로 “섬유를 함께 짜는 것”에 대해 이야기하지만 이것이 더 진보 된 제조 기술의 레이어를 통한 “편직”이라고 생각하지 않습니다.

실제로 자세한 내용은 알지 못합니다.하지만 탄소 섬유가 어떤 방향에서는 강력하고 유연하지만 다른면에서는 그다지 강하지 않은 경향이 있다는 것을 알고 있습니다. 따라서 프레임을 만들 때 프레임이 구부러지고 프레임이 작동하는 방식으로 충격을 흡수하도록 바로 정렬 할 수 있지만 잘못된 압력을 가하면 (예를 들어 옆으로 구체적인 곡선), 금이 갈 수 있습니다.

하지만 이전 질문 에서 분명히 알 수 있듯이 실제로는 확실하지 않습니다. 🙂