Waarom is koolstofvezel inherent zwak? Of is het?

Koolstofvezel is niet per se een “zwak” of “kwetsbaar” materiaal. Als je een buis had met dezelfde diameter en dikte van typische CF als een typische stalen framebuis, dan zou die CF-buis extreem sterk en duurzaam zijn.

Metalen zoals staal en aluminium zijn isotrope materialen. Dat betekent dat hun mechanische eigenschappen in alle richtingen identiek zijn. Als je een kubus van staal hebt, reageert deze op dezelfde manier, ongeacht in welke richting je eraan trekt of duwt.

Koolstofvezel is een composietmateriaal. Het bestaat uit tonnen kleine bundeltjes vezels die samen worden gehouden met een epoxy.

Een blok staal is, nou ja, zoals staal, maar koolstofvezel is als een grote bundel rietjes die aan elkaar zijn gelijmd. In één richting is het extreem sterk, maar als je opzij duwt of trekt, zal het instorten. In die ene dimensie waar het sterk is, is het enorm sterker dan staal. In andere richtingen is het echter nogal zwak.

Ingenieurs zijn er dus in geslaagd om die eigenschappen in fietsframes te exploiteren. In een fietsframe zijn de overgrote, overgrote meerderheid van de krachten voornamelijk langs een enkele Ze kunnen buizen dunner en lichter maken en toch de gewenste sterkte en stijfheid behouden.

Er is dus geen mechanische reden dat je geen volledig beladen toerfiets of zoiets als een Salsa Fargo zou kunnen bouwen met een carbon frame, en het kan net zo sterk en duurzaam zijn. En het zou waarschijnlijk lichter zijn dan een stalen of aluminium frame. Maar de reden waarom het niet wordt gedaan, is vanwege de markt. Koolstofvezel is een duur materiaal en moeilijk om mee te werken, en de mechanische eigenschappen zijn het meest geschikt voor wanneer u zeer lichte toepassingen vereist.

Wanneer u bouw een fiets met stalen frame, wanneer je de buizen voldoende sterk genoeg krijgt over hun lengte, zodat je vanwege de isotrope eigenschappen van het staal de laterale sterkte gratis krijgt, de kracht om dingen te weerstaan die erop botsen, bestand zijn tegen botsingen, enz.

In een frame van koolstofvezel krijg je de sterkte niet in de andere afmetingen, tenzij je ervoor kiest om het te ontwerpen. Bij fietsen van koolstofvezel, waar het gewicht een serieuze zorg is, is de technische beslissing genomen om niet te maken de frames zijn sterk in die gebieden. Ze zouden dit kunnen doen, maar ze kiezen ervoor om het niet te doen omdat het niet nodig is voor het beoogde doel van de fiets.

Als je een zwaarbeladen fiets bouwt, verlies je veel voordelen van koolstofvezels, en dat zou ook zo zijn veel zuiniger om staal of aluminium te gebruiken. Vooral als je een paar gevulde waterflessen in je koffer gooit, overtreft het bijna de gewichtsbesparing.

Opmerkingen

• Uitstekend antwoord!
• Je mixt sterk en duurzaam en ze zijn totaal verschillend. Aluminium is niet duurzaam omdat het vermoeid is en koolstof niet vermoeid. Wat is moeilijk? Ik hou van koolstof, maar een Salsa Fargo is om een goede reden staal. Staal heeft een lagere vloeigrens, maar het faalt niet catastrofaal.
• @Blam: Aluminium kan enorm duurzaam zijn. Duurzaam heeft geen ‘ geen technische definitie, en zeker, terwijl Al geen ‘ een uithoudingslimiet heeft zoals staal, kan de levensduur door vermoeidheid groot genoeg zijn om er geen probleem van te maken.Bovendien kunnen composietcomponenten zo worden gebouwd dat ze niet catastrofaal falen, maar in enkele situaties waarin ze tegenwoordig worden gebruikt, is dat een vereiste voor gebruik.
• De levensduur van een aluminium fiets is niet onbelangrijk.

Allereerst een disclaimer: het meeste van wat ik weet over de fabricage van koolstofvezel komt uit vliegtuigen, niet fietsen. Merk ook op dat koolstofvezel niet de enige composiet is die wordt gebruikt – slechts als alternatief kunnen Kevlar-vezels ook nuttig zijn (Kevlar is sterker, maar ook flexibeler dan koolstof).

Koolstofvezel is sterk, maar reageert niet goed op punt spanningen. Dit komt grotendeels doordat het in wezen stof is (geweven van koolstofvezels). Als je veel spanning op één punt legt, leg je die spanning op slechts een paar van die koolstofvezels. Hoewel de vezels zelf extreem sterk zijn (voor hun gewicht), is de hechting die de afzonderlijke vezels bij elkaar houdt veel zwakker. Denk ter vergelijking aan de verpakkingstape met glasvezelvezels die over de lengte lopen. De glasvezel zelf is erg sterk, maar de strook plastic en “goo” die ze bij elkaar houden is een stuk zwakker. Hoewel de details verschillen, geldt hetzelfde algemene idee ook voor koolstofvezel.

De exacte sterkte hangt ook af van de richting. Zoals ik hierboven al zei, begint koolstofvezel in feite als draden die tot stof worden geweven. De doek wordt vervolgens geïmpregneerd met een soort epoxy (de exacte gebruikte epoxy hangt af van de toepassing), in een mal gelegd, vacuümzakken ¹ en vervolgens gebakken om de epoxy uit te harden. Je kunt het doek in verschillende weefsels krijgen, sommige met dezelfde hoeveelheid koolstofvezel die in elke richting loopt, andere met (zeg) 80% van de koolstofvezel in de ene richting en slechts 20% in de andere richting. Waarschijnlijk ligt de meeste CF die in een fietsframe wordt gebruikt, waarschijnlijk ergens dichter bij de laatste variant, waarbij de meeste draden over de lengte van een buis lopen en aanzienlijk minder rond de omtrek van de buis.

Zolang we maar bezig zijn: koolstof is ook ongeveer twee keer zo sterk met betrekking tot het worden uitgerekt als dat het wordt samengedrukt. Normaal gesproken heb je ongeveer twee keer zoveel lagen als het voornamelijk wordt blootgesteld aan een drukbelasting.

¹ Vacuümzakken betekent dat er een grote plastic zak rond de mal en de opgemaakte stof wordt geplaatst en dat de lucht eruit wordt gezogen. Luchtdruk aan de buitenkant houdt de lagen stof stevig tegen elkaar om (proberen) ervoor te zorgen dat wanneer ze worden gebakken, ze als een enkele laag werken, niet als afzonderlijke lagen. Dit heeft weinig effect op de kracht bij strekken, maar een enorm effect bij compressie of buiging.

Opmerkingen

• Interessant antwoord. Is het mogelijk om koolstofvezel zo te gebruiken dat het zo sterk kan zijn als bijvoorbeeld aluminium? Ik ‘ m krijg de indruk dat het antwoord ja is, maar het zou dikker, zwaarder en duurder zijn.
• @neilfein: De GT Fury en de Santa Cruz V-10 Carbon zijn downhill race-mountainbikes. Ze ‘ zijn zeker moeilijk. Ze zijn beslist ” dikker, zwaarder en duurder . ”
• @ neilfein: Dat ‘ is bijna onmogelijk te beantwoorden zonder veel te doen om te kwantificeren waar je ‘ over praat. Als grondstof is CF veel sterker dan aluminium, maar het ontwerpen van een bruikbaar frame om van die sterkte te profiteren is veel moeilijker.
• +1 voor de dingen over richtingssterkte . Formule 1-autos hebben een ophanging gemaakt van koolstofvezel, en het is belachelijk sterk langs de as van de reis (de hoeveelheid compressie die door die achtervleugels wordt gegenereerd is enorm!), Maar het knikt regelmatig na een frontale botsing met stukjes puin op (relatief) lage snelheden.

Koolstofvezel is een zeer sterk materiaal, maar zoals elk materiaal doet sommige dingen beter dan andere. Van Wikipedia :

Koolstofvezel is erg sterk wanneer uitgerekt of gebogen, maar zwak wanneer gecomprimeerd of blootgesteld aan hoge schokken (bijv. een koolstofvezelstang is buitengewoon moeilijk te buigen, maar zal gemakkelijk barsten als deze met een hamer wordt geraakt).

dat een frame van koolstofvezel het gewicht van een berijder kan dragen plus alle krachten die een berijder toevoegt (die meerdere keren zijn lichaamsgewicht kan overschrijden), is het zeker niet zwak. Dit alles voor minder dan het gewicht van een vergelijkbaar aluminium of stalen frame.

Maar bepaalde soorten krachten – zoals scherpe schokken – kunnen de vezels beschadigen en epoxy verzwakken het materiaal, iets wat minder waarschijnlijk is bij een metaal.En een kleine klem kan een CF-buis verpletteren, mits voldoende kracht (je kunt dit ook doen met dunwandige aluminium buizen, maar het kost meer moeite).

Opmerkingen

• eigenlijk is dit precies het tegenovergestelde van ‘ taai ‘ materiaal. Een taai materiaal kan een grote plastische vervorming aan voordat het breekt, staal is taai, gietijzer of CF niet. Denk aan plastic = sterk, glas = sterk
• @mgb: gewijzigd ” hard ” in ” sterk ”
• Het was echt interessant om te zien hoe een aandrijfas van koolstofvezel op een auto versplinterde bij de sleepstrip. De plotselinge schok van een zeer harde AWD-lancering veroorzaakte een nogal dramatische storing, ondanks dat deze technisch sterker was dan een typische stalen aandrijfas.

Beetje laat op het feest, maar hier is “mijn ha” penneth: zoals hierboven vermeld, omvat een gebruikelijke fabricagemethode van CF-frames het “opleggen” van meerdere lagen met hars geïmpregneerde vezels met verschillende oriëntaties om optimaliseer de sterkte-eigenschappen in overeenstemming met de verwachte belastingen en vereiste prestaties van het frame (bijv. stijf versus soepel / flexibel). In deze zin kan CF nauwkeuriger worden afgestemd op een reeks vereisten voor het lichtste gewicht. Zoals bij elk technisch probleem zijn er compromissen. Elke laag is in wezen tweedimensionaal (denk aan x en y-as voor een vlakke plaat), de derde dimensie, dikte (denk aan z-as) is slechts de opeenhoping van lagen vezels, maar heeft op zich geen vezelsterkte, alleen de sterkte van de harsmatrix die alle vezels bij elkaar houdt. Het is dus door de dikte van het materiaal dat CF-composietstructuren het zwakst zijn. En een veel voorkomende vorm van falen staat bekend als delaminatie (de verbinding tussen lagen mislukt). Dit kan gebeuren door een klap op het oppervlak en eventuele delaminatie binnen de lagen zal van buitenaf niet zichtbaar zijn. Alleen scans kunnen de omvang van enige schade detecteren – de low-tech methode houdt in dat je op het oppervlak tikt en luistert naar eventuele veranderingen in de toon van de tikken – het vereist wel een geoefend oor en het is minder duidelijk voor de leek om onderscheid te maken tussen een verandering in toon vanwege een delaminatie versus zeg maar een verandering in de onderliggende lay-up (extr lagen nabij joins enz …).

Delaminatie is de zwakke plek van CF-frames en waarom ze naar mijn mening kunnen worden omschreven als “sterk” maar NIET “taai” of “veerkrachtig tegen beschadiging”. Omdat elke oude knal de sterkte van het frame in gevaar kon brengen en tot een onverwachte plotselinge catastrofale mislukking kon leiden. Metaal daarentegen geeft geleidelijk mee bij overbelasting – dus een plotselinge storing (indien correct ontworpen) is minder waarschijnlijk.

Dus de grote vraag voor mij is altijd geweest: als ik een CF-fiets crash, hoe zal ik weet dat de roem nog steeds structurele integriteit heeft.

Ik spreek als een fietser en ingenieur die zich in mijn vroege carrière specialiseerde in composiet- en verlijmde materialen. Het antwoord op het risico van delaminatie ligt in composietmaterialen waar vezels ook in de z (dikte) dimensie lopen. Dit kan worden bereikt door middel van “gebreide” vezelstructuren waar vezels de lagen met elkaar verbinden / vergrendelen – de droge vezel “breisel” wordt dan in een mal gehouden en vloeibare hars wordt geïnjecteerd en uitgehard. Voor zover ik weet, gebruikt nog geen enkele fabrikant deze techniek (kostbaar – militaire / ruimtevaart-budgetachtige dingen). Ze gaan verder met de traditionele lay-up van voorgeïmpregneerde vezels. Sommige fabrikanten hebben het over het “samenweven van vezels” van de ene buis naar de andere in een fietsframe, maar ik denk niet dat dit het “breien” is door de lagen van een meer geavanceerde fabricagetechniek.

Ik weet eigenlijk niet de volledige details, maar ik weet dat koolstofvezel in sommige richtingen sterk en flexibel is en in andere niet erg sterk. Dus als je er een frame van bouwt, kun je het precies goed uitlijnen zodat het frame buigzaam is en schokken absorbeert op de manier waarop frames zouden moeten werken, maar als je er de verkeerde druk op uitoefent (bijvoorbeeld, laat het zijwaarts op een betonnen bocht), kan het barsten.

Maar, zoals misschien duidelijk werd gemaakt door mijn vorige vraag , weet ik eigenlijk niet zeker 🙂