Hvorfor er karbonfiber iboende svakt? Eller er det?

Karbonfiber er ikke nødvendigvis et «svakt» eller «skjørt» materiale. Hvis du hadde et rør med samme diameter og tykkelse som typisk CF som et typisk stålrør, ville det CF-røret være ekstremt sterkt og holdbart.

Metaller som stål og aluminium er isotrope materialer. Det betyr at deres mekaniske egenskaper er identiske i alle retninger. Hvis du har en kube av stål, vil den svare på samme måte uansett hvilken retning du trekker eller skyver på den.

Karbonfiber er et sammensatt materiale. Den består av tonnevis av små bunter av fibre holdt sammen med en epoxy.

En stålblokk er vel som stål, men karbonfiber er som en stor bunt med sugerør limt sammen. I en retning er den ekstremt sterk, men hvis du skyver eller drar til siden, vil den kollapse. I den ene dimensjonen der den er sterk, er den langt sterkere enn stål. I andre retninger er det ganske spinkelt.

Så ingeniører har vært i stand til å utnytte disse egenskapene i sykkelrammer. I en sykkelramme er det store, store flertallet av styrkene primært langs en enkelt dimensjon. De kan gjøre rør tynnere og lettere, men likevel beholde ønsket styrke og stivhet.

Så det er ingen mekanisk grunn til at du ikke kunne bygge en fullastet turcykel eller noe sånt som en Salsa Fargo med en karbonramme, og den kan være like tøff og holdbar. Og det ville sannsynligvis være lettere enn en stål- eller aluminiumsramme. Men grunnen til at det ikke er gjort, er på grunn av markedet. Karbonfiber er et kostbart materiale og vanskelig å jobbe med, og dets mekaniske egenskaper egner seg best når du krever veldig lette applikasjoner.

Når du bygge en innrammet sykkel i stål når du får rørene tilstrekkelig sterke i lengden, at du på grunn av stål isotrope egenskaper får sidestyrken gratis, styrken til å motstå ting som banker inn i den, motstår krasj osv.

I en karbonfiberramme får du ikke styrken i de andre dimensjonene med mindre du velger å designe den. I karbonfibersykler, hvor vekt er et alvorlig anliggende, har ingeniørens beslutning blitt tatt om ikke rammene sterke i disse områdene. De kunne gjøre det, men de velger ikke å gjøre det fordi det ikke er nødvendig for syklens tiltenkte formål.

Når du bygger en tungbelastet sykkel, mister du mange av karbonfiberfordelene, og slik ville det være langt mer økonomisk å bruke stål eller aluminium. Spesielt når du kaster et par fylte vannflasker i vesken, overgår det nesten vektbesparelsene.

Kommentarer

• Utmerket svar!
• Du blander tøff og holdbar, og de er helt forskjellige. Aluminium er ikke slitesterkt, siden det blir trøtt og karbon ikke blir utmattet. Hva er tøft? Jeg liker karbon, men en Salsa Fargo er stål av en god grunn. Stål har et lavere flytepunkt, men det svikter ikke katastrofalt.
• @Blam: Aluminium kan være mye holdbart. Holdbar har ikke ‘ ingen teknisk definisjon, og sikkert, mens Al ikke ‘ t har en utholdenhetsgrense som stål, kan utmattelseslivet være stor nok til å gjøre det til et ikke-tema.Videre kan komposittkomponenter bygges for ikke å mislykkes katastrofalt, men i få situasjoner der de brukes i dag er det et krav om bruk.
• Utmattelsens levetid på aluminiumsykkel er ikke noe problem.

Først en ansvarsfraskrivelse: det meste jeg vet om fabrikasjon av karbonfiber kommer fra fly, ikke sykler. Vær også oppmerksom på at karbonfiber er ikke den eneste kompositten som blir brukt – bare for ett alternativ, kan Kevlar-fibre også være nyttige (Kevlar er sterkere, men også mer fleksibel enn karbon).

Karbonfiber er sterk, men reagerer ikke godt på poeng påkjenninger. Dette er i stor grad fordi det i utgangspunktet er klut (vevd ut av karbonfibre). Hvis du legger mye stress på et enkelt punkt, legger du stresset på bare noen få av disse karbonfibrene. Mens fibrene i seg selv er ekstremt sterke (på grunn av vekten), er bindingen som holder de enkelte fibrene sammen mye svakere. Til sammenligning, tenk på emballasjebåndet som har glassfibre som løper langs lengden. Selve glassfiberen er veldig sterk, men stripen av plast og «goo» som holder dem sammen er mye svakere. Selv om detaljene er forskjellige, gjelder den samme generelle ideen også for karbonfiber.

Den nøyaktige styrken avhenger også av retning. Som jeg sa ovenfor, starter karbonfiber som en tråd som er vevd inn i tøy. Tøyet blir deretter impregnert med en slags epoxy (den nøyaktige epoxy som brukes varierer med applikasjonen), legges opp i en form, vakuumposes ¹ , og deretter bakt for å herde epoxy. Du kan få kluten i forskjellige forskjellige vevinger, noen med samme mengde karbonfiber som går i hver retning, andre med (si) 80% av karbonfiberen i en retning, og bare 20% i den andre retningen. Med en gjetning er det meste av CF-en som brukes i en sykkelramme, trolig et sted nærmere den sistnevnte varianten, med de fleste trådene som løper langs et rør, og betydelig mindre løper rundt rørets omkrets.

Så lenge vi er på det: karbon er også omtrent dobbelt så sterkt med hensyn til å bli strukket som å bli komprimert. Du vil vanligvis ha rundt dobbelt så mange lag der det først og fremst utsettes for en trykkbelastning.

¹ Vakuumpose betyr at en stor plastpose er plassert rundt formen og den opplagte kluten, og luften suges ut. Lufttrykk på utsiden holder tøylagene tett sammen å (prøve å) sørge for at når de bakes, fungerer de som et enkelt lag, ikke som separate lag. Dette har liten effekt på styrken når den utsettes for strekking, men en enorm effekt når den utsettes for kompresjon eller bøyning.

Kommentarer

• Interessant svar. Er det mulig å bruke karbonfiber på en slik måte at den kan være så sterk som for eksempel aluminium? Jeg ‘ får inntrykk av at svaret er ja, men det ville være tykkere, tyngre og dyrere.
• @neilfein: GT Fury og Santa Cruz V-10 Carbon er terrengsykkel. De ‘ er absolutt tøffe. De er definitivt » tykkere, tyngre og dyrere . »
• @ neilfein: At ‘ er nesten umulig å svare uten å gjøre mye for å kvantifisere hva som stresser deg ‘ du snakker om. Som råmateriale er CF mye sterkere enn aluminium, men å designe en brukbar ramme for å utnytte den styrken er mye vanskeligere.
• +1 for ting om retningsstyrke . Formel 1-biler har karbonfiberoppheng, og det er latterlig sterkt langs kjøreaksen (Mengden kompresjon som genereres av de bakre vingene er enorm!), Men den spenner regelmessig etter en frontpåvirkning med biter av rusk ved (relativt) lave hastigheter.

Karbonfiber er et veldig sterkt materiale, men som ethvert materiale er det gjør noen ting bedre enn andre. Fra Wikipedia :

Karbonfiber er veldig sterk når den er strukket eller bøyd, men svak når den er komprimert eller utsatt for høyt støt (f.eks. er en karbonfiberstang ekstremt vanskelig å bøye, men vil sprekke lett hvis den blir truffet med en hammer).

Vurderer at en karbonfiberramme kan bære vekten til en rytter pluss alle kreftene som en rytter tilfører (som kan overstige flere ganger kroppsvekten), er på ingen måte svak. Alt dette for mindre enn vekten av en sammenlignbar aluminium- eller stålramme.

Men visse typer krefter – som skarpe støt – kan skade fibrene og epoxy som svekker materialet, noe som er mindre sannsynlig med et metall.Og en liten klemme kan knuse et CF-rør, gitt nok kraft (du kan også gjøre dette med tynnveggede aluminiumsrør, men det krever mer innsats).

Kommentarer

• faktisk er dette det motsatte av et ‘ tøft ‘ materiale. Et tøft materiale kan takle en stor plastisk deformasjon før det brytes, stål er tøft, støpejern eller CF er ikke. Tenk plast = tøft, glass = sterkt
• @mgb: endret » tøft » til » sterk »
• Det var veldig interessant å se en drivaksel av karbonfiber knuse på en bil ved dragstripen. Det plutselige sjokket av en veldig hard AWD-lansering forårsaket en ganske dramatisk feil til tross for at den var teknisk sterkere enn en typisk drivaksel av stål.

Litt sent til festen, men her er «min ha» penneth: Som nevnt ovenfor, innebærer en vanlig produksjonsmetode for CF-rammer «å legge» flere lag med harpiksimpregnerte fibre med forskjellige retninger til optimalisere styrkeegenskapene i henhold til de forventede belastningene og den nødvendige ytelsen til rammen (f.eks. stiv vs smidig / fleksibel). I denne forstand kan CF være mer presis tilpasset et sett med krav til den laveste vekten. Som med alle tekniske problemer er det hvert lag er egentlig todimensjonalt (tenk x og y-aksen for et flatt ark), den tredje dimensjonen, tykkelse (tenk z-aksen) er bare akkumuleringen av lag av fibre, men har ikke noen fiberstyrke i seg selv, bare styrke fra harpiksmatrisen som holder alle fibrene sammen. Så det er gjennom materialets tykkelse at CF-komposittstrukturer er svakest. Og en vanlig feilform er kjent som delaminering (båndet mellom lag mislykkes). Dette kan skje fra et slag mot overflaten, og enhver delaminering i lagene vil ikke være synlig utvendig. Bare skanninger kan oppdage omfanget av eventuelle skader – den lavteknologiske metoden innebærer å banke på overflaten og lytte etter eventuelle endringer i kranens tone – det krever et trent øre og er mindre åpenbart for lekmannen å skille mellom en endring i tonen på grunn av en delaminering kontra si en endring i den underliggende oppsettet (ekstralag nær sammenføyninger osv …).

Delaminering er det svake punktet i CF-rammer, og hvorfor, etter min mening, kan de beskrives som «sterk» men IKKE «tøff» eller «motstandsdyktig mot skader». Siden ethvert gammelt smell kunne bringe styrken på rammen i fare og førte til en uventet plutselig katastrofal feil. Metall gir derimot gradvis når det er overbelastet – så plutselig feil (hvis riktig utformet) er mindre sannsynlig.

Så det store spørsmålet for meg har alltid vært – hvis jeg krasjer en CF-sykkel, hvordan vil jeg vet at berømmelsen fremdeles har strukturell integritet.

Jeg snakker som en syklist og ingeniør som spesialiserte seg i min tidlige karriere innen sammensatte og limte materialer. Svaret på risikoen for delaminering ligger i komposittmaterialer der fibre også går i z (tykkelse) dimensjonen. Dette kan oppnås gjennom «strikkede» fiberstrukturer der fibre knytter / låser lagene sammen – den tørre fiberen «strikkes» blir deretter holdt i en form og væskeharpiks injisert og herdet. Så vidt jeg er klar over, bruker ingen produsenter ennå denne teknikken (kostbart – militær / romfart budsjett ting). De fortsetter med den tradisjonelle metoden for preimpregnert fiber. Noen produsenter snakker om å «veve fibre sammen» fra et rør til et annet i en sykkelramme, men jeg tror ikke dette er «strikking» gjennom lagene til en mer avansert produksjonsteknikk.

Jeg vet faktisk ikke alle detaljene, men jeg vet at karbonfiber har en tendens til å være sterk og fleksibel i noen retninger, og ikke veldig sterk i andre. Så når du bygger en ramme ut av den, kan du justere den akkurat slik at rammen er bøyelig og absorberer støt på den måten rammer skal fungere, men hvis du bruker feil trykk på den (si, slipp den sidelengs på en konkret kurve), kan det knekke.

Men, som det kanskje ble gjort klart av forrige spørsmål , er jeg ikke helt sikker 🙂