Por que a fibra de carbono é inerentemente fraca? Ou é?

A fibra de carbono não é necessariamente um material “fraco” ou “frágil”. Se você tivesse um tubo com o mesmo diâmetro e espessura do CF típico de um tubo de estrutura de aço típico, esse tubo de CF seria extremamente forte e durável.

Metais como aço e alumínio são materiais isotrópicos. Isso significa que suas propriedades mecânicas são idênticas em todas as direções. Se você tiver um cubo de aço, ele responderá da mesma maneira, independentemente da direção em que você o puxa ou empurra.

A fibra de carbono é um material composto. Consiste em toneladas de pequenos feixes de fibras unidos por um epóxi.

Um bloco de aço é, bem, como o aço, mas a fibra de carbono é como um grande feixe de canudos colados. Em uma direção, é extremamente forte, mas se você empurrar ou puxar para o lado, ele entrará em colapso. Naquela dimensão em que é forte, é muito mais forte que o aço. No entanto, em outras direções, é bastante frágil.

Então, os engenheiros têm sido capazes de explorar essas propriedades em quadros de bicicleta. Em um quadro de bicicleta, a vasta maioria das forças está principalmente ao longo de um único dimensão. Eles podem tornar os tubos mais finos e leves, mas ainda manter a resistência e rigidez desejadas.

Portanto, não há nenhuma razão mecânica para que você não possa construir uma bicicleta de turismo totalmente carregada ou algo como uma Salsa Fargo com uma estrutura de carbono, e poderia ser tão resistente e durável. E provavelmente seria mais leve do que uma estrutura de aço ou alumínio. Mas isso não é feito por causa do mercado. A fibra de carbono é um material caro e difícil de trabalhar, e suas propriedades mecânicas são mais adequadas para quando você exige aplicações muito leves.

Quando você construir uma bicicleta com estrutura de aço, quando você conseguir os tubos suficientemente fortes ao longo de seu comprimento, que por causa das propriedades isotrópicas do aço, você obtém a força lateral de graça, a força para resistir a coisas que batam nela, resistir a quedas, etc.

Em uma estrutura de fibra de carbono, você não obtém resistência nas outras dimensões, a menos que decida projetá-la. Em bicicletas de fibra de carbono, onde o peso é uma preocupação séria, a decisão da engenharia foi tomada para não os quadros são fortes nessas áreas. Eles poderiam fazer isso, mas optaram por não fazê-lo porque não é necessário para a finalidade pretendida da bicicleta.

Quando você constrói uma bicicleta com carga pesada, você perde muitas das vantagens das fibras de carbono, e assim seria muito mais econômico usar aço ou alumínio. Especialmente quando jogar duas garrafas de água cheias em sua bolsa quase excede a economia de peso.

Comentários

• Excelente resposta!
• Você mistura resistência e durabilidade e eles são totalmente diferentes. O alumínio não é durável porque cansa e o carbono não cansa. O que é difícil? Eu gosto de carbono, mas um Salsa Fargo é aço por um bom motivo. O aço tem um limite de elasticidade menor, mas não falha catastroficamente.
• @Blam: O alumínio pode ser bastante durável. Durável não ‘ tem uma definição de engenharia, e claro, enquanto Al não ‘ t tem um limite de resistência como o aço, a vida à fadiga pode ser grande o suficiente para torná-lo um problema.Além disso, os componentes compostos podem ser construídos para não falhar catastroficamente. No entanto, em poucas situações em que são usados hoje, esse é um requisito de uso.
• A fadiga da bicicleta de alumínio não é um problema.

Primeiro, uma isenção de responsabilidade: a maior parte do que sei sobre a fabricação de fibra de carbono vem de aeronaves, não bicicletas. Observe também que a fibra de carbono não é o único composto que é usado – apenas como alternativa, as fibras de Kevlar também podem ser úteis (Kevlar é mais forte, mas também mais flexível do que o carbono).

A fibra de carbono é forte, mas não responde bem a tensões pontuais . Isso ocorre principalmente porque é basicamente tecido (tecido com fibras de carbono). Se você colocar muita tensão em um único ponto, estará colocando essa tensão apenas em algumas dessas fibras de carbono. Embora as próprias fibras sejam extremamente fortes (para seu peso), a ligação que mantém as fibras individuais juntas é muito mais fraca. Para efeito de comparação, pense na fita de embalagem que tem fibras de fibra de vidro ao longo de seu comprimento. A fibra de vidro em si é muito forte, mas a tira de plástico e a “gosma” que os mantém unidos é muito mais fraca. Embora os detalhes sejam diferentes, a mesma ideia geral também se aplica à fibra de carbono.

A resistência exata também depende da direção. Como eu disse acima, a fibra de carbono começa basicamente como fios que são tecidos em um tecido. O pano é então impregnado com algum tipo de epóxi (o epóxi exato usado varia com a aplicação), colocado em um molde, ensacado a vácuo ¹ e então cozido para endurecer o epóxi. Você pode obter o tecido em várias tramas diferentes, algumas com a mesma quantidade de fibra de carbono em cada direção, outras com (digamos) 80% da fibra de carbono em uma direção e apenas 20% na outra direção. Em suma, a maior parte do CF usado em um quadro de bicicleta está provavelmente em algum lugar mais próximo da última variedade, com a maioria dos fios correndo ao longo do comprimento de um tubo e consideravelmente menos correndo ao redor da circunferência do tubo.

Contanto que o façamos: o carbono também é cerca de duas vezes mais forte em relação a ser esticado do que comprimido. Você normalmente terá cerca de duas vezes mais camadas quando for submetido principalmente a uma carga de compressão.

¹ O empacotamento a vácuo significa que um grande saco plástico é colocado ao redor do molde e do pano, e o ar é sugado. A pressão do ar do lado de fora mantém as camadas de tecido bem juntas para (tentar) garantir que, quando forem assados, atuem como uma única camada, não como camadas separadas. Isso tem pouco efeito na resistência quando submetido a alongamento, mas um efeito enorme quando submetido a compressão ou flexão.

Comentários

• Resposta interessante. É possível usar a fibra de carbono de forma que ela seja tão forte quanto, digamos, o alumínio? Eu ‘ estou tendo a impressão de que a resposta é sim, mas seria mais grosso, mais pesado e mais caro.
• @neilfein: O GT Fury e a Santa Cruz V-10 Carbon são bicicletas de montanha de corrida downhill. Eles ‘ são certamente difíceis. Eles são definitivamente ” mais grossos, mais pesados e mais caros . ”
• @ neilfein: Isso ‘ é quase impossível de responder sem fazer muito para quantificar o que estressa você ‘ está falando. Como matéria-prima, o CF é muito mais forte do que o alumínio, mas projetar uma estrutura utilizável para tirar proveito dessa resistência é muito mais difícil.
• +1 para as coisas sobre resistência direcional . Os carros de Fórmula 1 têm suspensão feita de fibra de carbono e é ridícula e forte ao longo do eixo de deslocamento (a quantidade de compressão gerada por essas asas traseiras é enorme!), Mas normalmente dobra após um impacto frontal com pedaços de detritos em velocidades (relativamente) baixas.

A fibra de carbono é um material muito forte, mas como qualquer outro material, ela faz algumas coisas melhor do que outras. Da Wikipedia :

A fibra de carbono é muito forte quando esticada ou dobrada, mas fraca quando comprimida ou exposta a alto choque (por exemplo, uma barra de fibra de carbono é extremamente difícil de dobrar, mas irá quebrar facilmente se for atingida por um martelo).

Considerando que uma estrutura de fibra de carbono pode suportar o peso de um ciclista mais todas as forças que um ciclista adiciona (que podem exceder várias vezes seu peso corporal), não é de forma alguma fraca. Tudo isso por menos do que o peso de uma estrutura de alumínio ou aço comparável.

Mas certos tipos de forças – como impactos bruscos – podem danificar as fibras e o epóxi enfraquecendo o material, algo que é menos provável com um metal.E uma pequena braçadeira pode esmagar um tubo CF, com força suficiente (você também pode fazer isso com tubos de alumínio de parede fina, mas exige mais esforço).

Comentários

• na verdade, este é o oposto de um material ‘ difícil ‘. Um material resistente pode suportar uma grande deformação plástica antes de quebrar, o aço é resistente, o ferro fundido ou o CF não. Pense plástico = resistente, vidro = forte
• @mgb: alterado ” resistente ” para ” strong ”
• Foi realmente interessante ver um eixo de transmissão de fibra de carbono quebrar em um carro na pista de arrasto. O choque repentino de um lançamento de AWD muito forte causou uma falha bastante dramática, apesar de ser tecnicamente mais forte do que um eixo de transmissão de aço típico.

Um pouco tarde para a festa, mas aqui está: como observado acima, um método comum de fabricação de armações CF envolve “colocar” várias camadas de fibras impregnadas de resina de orientações diferentes para otimizar as características de resistência de acordo com as cargas esperadas e o desempenho exigido do quadro (por exemplo, rígido vs flexível / flexível). Nesse sentido, o CF pode ser mais precisamente adaptado a um conjunto de requisitos para o peso mais leve. Como acontece com todos os problemas de engenharia que existem compromissos. Cada camada é essencialmente bidimensional (pense em x e eixo y para uma folha plana), a terceira dimensão, espessura (pense no eixo z) é apenas o acúmulo de camadas de fibras, mas não tem nenhuma resistência de fibra per se, apenas a resistência da matriz de resina que mantém todas as fibras juntas. Portanto, é através da espessura do material que as estruturas compostas de CF são mais fracas. E um modo comum de falha é conhecido como delaminação (a ligação entre as camadas falha). Isso pode acontecer a partir de um golpe na superfície e qualquer delaminação dentro das camadas não será visível externamente. Apenas as varreduras podem detectar a extensão de qualquer dano – o método de baixa tecnologia envolve tocar a superfície e ouvir quaisquer mudanças no tom das torneiras – requer um ouvido treinado e é menos óbvio para o leigo diferenciar entre uma mudança no tom devido a uma delaminação versus, digamos, uma mudança no layup subjacente (camadas extras perto de junções etc …).

A delaminação é o ponto fraco dos quadros CF e por que, na minha opinião, eles podem ser descritos como “forte”, mas NÃO “resistente” ou “resiliente a danos”. Uma vez que qualquer velho estrondo poderia comprometer a resistência da moldura e levaria a uma falha catastrófica repentina e inesperada. O metal, por outro lado, cede gradualmente quando sobrecarregado – então uma falha repentina (se projetada corretamente) é menos provável de ocorrer.

Portanto, a grande questão para mim sempre foi – se eu bater com uma bicicleta CF, como vou sei que a fama ainda tem integridade estrutural.

Falo como um ciclista e engenheiro que se especializou no início da minha carreira em materiais compostos e aglutinados. A resposta ao risco de delaminação encontra-se em materiais compósitos onde as fibras também correm na dimensão z (espessura). Isso pode ser conseguido através de estruturas de fibra “tricotada”, onde as fibras ligam / prendem as camadas juntas – a fibra seca “tricotada” é então mantida em um molde e resina líquida injetada e curada. Pelo que eu sei, nenhum fabricante ainda usa essa técnica (cara – material de orçamento militar / aeroespacial). Eles continuam com o método tradicional de lay-up de fibras pré-impregnadas. Alguns fabricantes falam em “tecer fibras juntas” de um tubo a outro em um quadro de bicicleta, mas não acho que isso seja “tricotar” através das camadas de uma técnica de fabricação mais avançada.

Na verdade, não sei todos os detalhes, mas sei que a fibra de carbono tende a ser forte e flexível em algumas direções, e não muito forte em outras. Então, quando você constrói um quadro a partir dele, você pode alinhá-lo corretamente para que o quadro seja dobrado e absorva os choques da maneira que os quadros deveriam funcionar, mas se você aplicar a pressão errada sobre ele (digamos, jogue-o de lado sobre uma curva de concreto), ele pode rachar.

Mas, como talvez tenha ficado claro em minha pergunta anterior , não tenho certeza 🙂