Dlaczego włókno węglowe jest z natury słabe? Albo to jest?

Włókno węglowe nie musi być „słabym” lub „delikatnym” materiałem. Gdybyś miał rurę o tej samej średnicy i grubości typowej CF, co typowa stalowa rura ramy, ta rura CF byłaby wyjątkowo mocna i trwała.

Metale takie jak stal i aluminium są materiałami izotropowymi. Oznacza to, że ich właściwości mechaniczne są identyczne we wszystkich kierunkach. Jeśli masz sześcian ze stali, zareaguje w ten sam sposób, niezależnie od tego, w jakim kierunku ją ciągniesz lub pchasz.

Włókno węglowe jest materiałem kompozytowym. Składa się z ton małych wiązek włókien połączonych żywicą epoksydową.

Blok stali jest, no cóż, jak stal, ale włókno węglowe jest jak duża wiązka sklejonych ze sobą słomek. W jednym kierunku jest niezwykle silny, ale jeśli odepchniesz lub pociągniesz w bok, zawali się. W tym jednym wymiarze, w którym jest mocny, jest znacznie mocniejszy niż stal. Jednak w innych kierunkach jest to raczej słabe.

Inżynierowie byli w stanie wykorzystać te właściwości ram rowerowych. W ramie rowerowej ogromna większość sił rozciąga się głównie wzdłuż pojedynczego Mogą sprawić, że rury będą cieńsze i lżejsze, a jednocześnie zachowają pożądaną wytrzymałość i sztywność.

Nie ma więc mechanicznego powodu, dla którego nie można by zbudować w pełni załadowanego roweru turystycznego lub czegoś w rodzaju ramę z włókna węglowego i może być równie mocna i trwała. I prawdopodobnie byłby lżejszy niż rama stalowa lub aluminiowa. Ale powodem tego nie jest rynek. Włókno węglowe jest materiałem drogim i trudnym w obróbce, a jego właściwości mechaniczne najlepiej nadają się do bardzo lekkich zastosowań.

Kiedy zbuduj rower z ramą stalową, gdy dostaniesz wystarczająco mocne rury na całej ich długości, że dzięki właściwościom izotropowym stali otrzymasz za darmo wytrzymałość boczną, wytrzymałość na uderzenia w niego, odporność na uderzenia itp.

W przypadku ramy z włókna węglowego nie uzyskasz wytrzymałości w innych wymiarach, chyba że zdecydujesz się ją zaprojektować. W rowerach z włókna węglowego, w których waga jest poważnym problemem, podjęto decyzję inżynieryjną, aby nie podejmować ramy są mocne w tych obszarach. Mogliby to zrobić, ale zdecydowali się tego nie robić, ponieważ nie jest to konieczne do przeznaczenia roweru.

Kiedy budujesz rower z dużym obciążeniem, tracisz wiele zalet włókien węglowych, i tak byłoby znacznie bardziej ekonomiczne w użyciu stali lub aluminium. Zwłaszcza, gdy wrzucenie do sakwy kilku napełnionych butelek wody prawie przekracza oszczędności wagi.

Komentarze

• Doskonała odpowiedź!
• Łączysz mocne i trwałe, a one są zupełnie inne. Aluminium nie jest wytrzymałe, ponieważ ulega zmęczeniu, a węgiel nie ulega zmęczeniu. Co jest trudne? Lubię węgiel, ale Salsa Fargo to stal nie bez powodu. Stal ma niższą granicę plastyczności, ale nie ulega katastrofalnym skutkom.
• @Blam: Aluminium może być bardzo wytrzymałe. Trwałe nie ma ' definicji inżynierskiej i oczywiście, chociaż Al nie ' nie ma limitu wytrzymałości jak stal, trwałość zmęczeniowa może być wystarczająco wielki, aby uczynić go nieistotnym.Ponadto komponenty kompozytowe można zbudować tak, aby nie uległy katastrofalnej awarii, jednak w niewielu sytuacjach, w których są obecnie używane, jest to wymóg użycia.
• Trwałość zmęczeniowa roweru aluminiowego nie jest problemem.

Najpierw zastrzeżenie: większość tego, co wiem o wytwarzaniu włókien węglowych, pochodzi z samolotów, nie rowery. Zwróć również uwagę, że włókno węglowe nie jest jedynym kompozytem, który jest używany – tylko w jednej alternatywie włókna Kevlar mogą być również przydatne (Kevlar jest mocniejszy, ale także bardziej elastyczny niż węgiel).

Włókno węglowe jest mocne, ale nie reaguje dobrze na obciążenia punktowe . Dzieje się tak głównie dlatego, że jest to w zasadzie materiał (utkany z włókien węglowych). Jeśli w jednym miejscu przykładasz duży nacisk, naciskasz tylko na kilka z tych włókien węglowych. Podczas gdy same włókna są niezwykle mocne (jak na ich wagę), wiązanie utrzymujące poszczególne włókna razem jest znacznie słabsze. Dla porównania pomyśl o taśmie pakunkowej, która ma włókna z włókna szklanego biegnące wzdłuż jej długości. Samo włókno szklane jest naprawdę mocne, ale pasek plastiku i „maź” łączący je razem jest dużo słabszy. Chociaż szczegóły się różnią, ta sama ogólna idea dotyczy również włókna węglowego.

Dokładna wytrzymałość zależy również od kierunku. Jak powiedziałem powyżej, włókno węglowe zaczyna się zasadniczo od nici wplecionych w materiał. Następnie szmatka jest impregnowana jakimś rodzajem żywicy epoksydowej (dokładny rodzaj użytej żywicy zależy od zastosowania), układana w formie, pakowana próżniowo ¹ , a następnie pieczona w celu utwardzenia żywicy epoksydowej. Możesz dostać materiał w różnych splotach, niektóre z taką samą ilością włókna węglowego biegnącego w każdym kierunku, inne z (powiedzmy) 80% włókna węglowego w jednym kierunku i tylko 20% w drugim kierunku. Domyślam się, że większość CF zastosowanych w ramie roweru jest prawdopodobnie bliżej tej drugiej odmiany, z większością gwintów biegnących wzdłuż rury i znacznie mniej biegnących po obwodzie rury.

Dopóki się tym zajmiemy: węgiel jest również około dwa razy mocniejszy w stosunku do rozciągania niż ściskany. Zwykle będziesz mieć około dwa razy więcej warstw, w których jest głównie poddawany obciążeniu ściskającemu.

¹ Pakowanie próżniowe oznacza, że wokół formy i ułożonej tkaniny umieszcza się duży plastikowy worek, a powietrze jest odsysane. Ciśnienie powietrza na zewnątrz utrzymuje warstwy materiału ciasno razem aby (próbować) upewnić się, że po ponownym upieczeniu działają jako pojedyncza warstwa, a nie jako oddzielne warstwy. Ma to niewielki wpływ na wytrzymałość podczas rozciągania, ale ma ogromny wpływ na ściskanie lub zginanie.

Komentarze

• Ciekawa odpowiedź. Czy można zastosować włókno węglowe w taki sposób, aby było tak wytrzymałe jak, powiedzmy, aluminium? ' Odnoszę wrażenie, że odpowiedź brzmi tak, ale byłaby grubsza, cięższa i droższa.
• @neilfein: GT Fury i Santa Cruz V-10 Carbon to górskie rowery do wyścigów zjazdowych. ' z pewnością są trudne. Są zdecydowanie ” grubsze, cięższe i droższe . ”
• @ neilfein: Odpowiedź na to ' jest prawie niemożliwa bez wielu starań, aby określić, co Cię stresuje ', o czym mówisz. Jako surowiec, CF jest znacznie mocniejszy niż aluminium, ale zaprojektowanie użytecznej ramy w celu wykorzystania tej wytrzymałości jest znacznie trudniejsze.
• +1 dla rzeczy o wytrzymałości kierunkowej . Samochody Formuły 1 mają zawieszenie wykonane z włókna węglowego i jest absurdalnie mocne wzdłuż osi jazdy (wielkość kompresji generowanej przez tylne skrzydła jest ogromna!), Ale regularnie zapina się po zderzeniu czołowym z kawałkami gruzu przy (stosunkowo) niskie prędkości.

Włókno węglowe to bardzo mocny materiał, ale jak każdy inny robi pewne rzeczy lepiej niż inne. Z Wikipedii :

Włókno węglowe jest bardzo mocne po rozciągnięciu lub zgięciu, ale słabe po ściśnięciu lub wystawieniu na działanie silnych wstrząsów (np. pręt z włókna węglowego jest niezwykle trudny do zgięcia, ale łatwo pęknie, jeśli zostanie uderzony młotkiem).

Biorąc pod uwagę że rama z włókna węglowego może wytrzymać ciężar rowerzysty plus wszystkie siły, które dodaje rowerzysta (które mogą przekraczać kilkakrotnie jego wagę), nie jest bynajmniej słaba. Wszystko to za mniej niż ciężar porównywalnej ramy aluminiowej lub stalowej.

Jednak niektóre rodzaje sił – na przykład ostre uderzenia – mogą uszkodzić włókna i żywicę epoksydową, osłabiając materiał, co jest mniej prawdopodobne w przypadku metal.Mały zacisk może zmiażdżyć rurkę CF, jeśli wystarczy wystarczająca siła (można to zrobić również za pomocą cienkościennych rur aluminiowych, ale wymaga to więcej wysiłku).

Komentarze

• w rzeczywistości jest to przeciwieństwo ' twardego ' materiału. Twardy materiał może poradzić sobie z dużym odkształceniem plastycznym przed złamaniem, stal jest twarda, żeliwo lub CF nie. Myśl, że plastik = twardy, szkło = mocny
• @mgb: zmieniony ” twardy ” na ” mocne ”
• To było naprawdę interesujące zobaczyć, jak wał napędowy z włókna węglowego rozbija się w samochodzie na pasie hamulca. Nagły szok wywołany bardzo twardym uruchomieniem napędu na wszystkie koła spowodował raczej dramatyczną awarię, mimo że był technicznie mocniejszy niż typowa stalowa półoś.

Myślę, że warto również zwrócić uwagę, że chociaż włókno węglowe może być bardzo mocne, wcale nie jest plastyczne, jak stal lub (w mniejszym stopniu) aluminium. Możesz włożyć całkiem niezłe wgniecenie w metalowej ramie i nadal jeździć do domu, ale jeśli włożysz wgniecenie we włóknie węglowym, prawdopodobnie naruszyłeś całą dętkę do tego stopnia, że prawdopodobnie nie powinieneś na niej jeździć. tylko o wiele bardziej kruchy, więc deformacja oznacza pękanie, podczas gdy w metalach zwykle oznacza coś rozciągniętego lub ściśniętego, co w mniejszym stopniu szkodzi integralności strukturalnej.

Trochę za późno na imprezę, ale oto „s my ha” penneth: Jak wspomniano powyżej, powszechna metoda wytwarzania ramek CF obejmuje „układanie” wielu warstw impregnowanych żywicą włókien o różnych orientacjach do zoptymalizować właściwości wytrzymałościowe zgodnie z oczekiwanymi obciążeniami i wymaganą wydajnością ramy (np. sztywna vs giętka / elastyczna). W tym sensie CF może być bardziej precyzyjnie dostosowana do zestawu wymagań dotyczących jak najmniejszej wagi. Jak w przypadku każdego problemu inżynieryjnego, istnieją kompromisów.Każda warstwa jest zasadniczo dwuwymiarowa (pomyśl x i oś y dla płaskiego arkusza), trzeci wymiar, grubość (myślę, że oś z) to po prostu nagromadzenie warstw włókien, ale nie ma żadnej wytrzymałości włókien jako takiej, tylko wytrzymałość z matrycy żywicznej, która utrzymuje wszystkie włókna razem. Tak więc to przez grubość materiału struktury kompozytowe CF są najsłabsze. Powszechny tryb awarii jest znany jako rozwarstwienie (wiązanie między warstwami zawodzi). Może się to zdarzyć od uderzenia w powierzchnię i wszelkie rozwarstwienia w warstwach nie będą widoczne z zewnątrz. Tylko skany mogą wykryć zakres jakichkolwiek uszkodzeń – metoda mało zaawansowana technologicznie polega na stukaniu w powierzchnię i nasłuchiwaniu zmian tonu stuknięć – wymaga wyszkolonego ucha i jest mniej oczywiste dla laika, aby odróżnić zmianę tonu z powodu delaminacji w porównaniu do, powiedzmy, zmiany w leżącym poniżej lay-upie (warstwy zewnętrzne w pobliżu połączeń itp.).

Delaminacja jest słabym punktem ramek CF i dlaczego, moim zdaniem, można je opisać jako „silny”, ale NIE „wytrzymały” lub „odporny na uszkodzenia”. Ponieważ każdy stary huk może zagrozić wytrzymałości ramy i doprowadzić do nieoczekiwanej nagłej katastrofalnej awarii. Z drugiej strony metal stopniowo ugina się po przeciążeniu – tak więc nagła awaria (jeśli jest prawidłowo zaprojektowana) jest mniej prawdopodobna.

Więc głównym pytaniem było dla mnie zawsze – jeśli rozbiję rower CF, w jaki sposób wiem, że sława wciąż ma integralność strukturalną.

Przemawiam jako kolarz i inżynier, który specjalizował się w mojej wczesnej karierze w materiałach kompozytowych i klejonych. Odpowiedzią na ryzyko rozwarstwienia są materiały kompozytowe, w których włókna biegną również w wymiarze z (grubość). Można to osiągnąć dzięki „dzianym” strukturom włókienniczym, w którym włókna łączą / blokują warstwy ze sobą – „dzianinę” suchych włókien następnie trzyma się w formie, a ciekłą żywicę wtryskuje i utwardza. O ile mi wiadomo, żaden producent nie używa jeszcze tej techniki (kosztowna – budżet wojskowy / lotniczy). Kontynuują tradycyjną metodę laminowania wstępnie impregnowanych włókien. Niektórzy producenci mówią o „tkaniu razem włókien” z jednej rury na drugą w ramie roweru, ale nie sądzę, że jest to „dzianie” przez warstwy bardziej zaawansowanej techniki produkcyjnej.

Właściwie nie znam wszystkich szczegółów, ale wiem, że włókno węglowe jest zwykle mocne i elastyczne w niektórych kierunkach, a niezbyt mocne w innych. Kiedy więc zbudujesz z niej ramę, możesz ustawić ją dokładnie tak, aby była zgięta i absorbowała wstrząsy w sposób, w jaki ramy mają działać, ale jeśli zastosujesz na nią niewłaściwy nacisk (powiedz, upuść ją bokiem na konkretna krzywa), może pęknąć.

Ale, jak zostało to wyjaśnione w moim poprzednim pytaniu , nie mam pewności 🙂