De ce fibra din carbon este inerent slabă? Sau este?

Fibra de carbon nu este neapărat un material „slab” sau „fragil”. Dacă ați avea un tub cu același diametru și grosime ca CF tipic ca un tub tipic cu cadru din oțel, acel tub CF ar fi extrem de puternic și durabil.

Metale precum oțelul și aluminiul sunt materiale izotrope. Asta înseamnă că proprietățile lor mecanice sunt identice în toate direcțiile. Dacă aveți un cub de oțel, acesta va răspunde la fel indiferent de direcția pe care o trageți sau împingeți pe el.

Fibra de carbon este un material compozit. Se compune din tone de mici mănunchiuri de fibre ținute împreună cu un epoxidic.

Un bloc de oțel este, de asemenea, ca oțelul, dar fibra de carbon este ca un pachet mare de paie lipite între ele. Într-o direcție, este extrem de puternic, dar dacă împingeți sau trageți în lateral, se va prăbuși. În acea dimensiune în care este puternică, este mult mai puternică decât oțelul. Cu toate acestea, în alte direcții este destul de slab.

Deci, inginerii au reușit să exploateze acele proprietăți în cadrele de biciclete. În cadrul unei biciclete, marea majoritate a forțelor sunt primare de-a lungul unei singure Acestea pot face tuburile mai subțiri și mai ușoare, dar totuși păstrează rezistența și rigiditatea dorite.

Deci, nu există niciun motiv mecanic pentru care nu puteți construi o bicicletă turistică complet încărcată sau ceva de genul unei Salsa Fargo cu un cadru din carbon și ar putea fi la fel de dur și durabil. Și probabil ar fi mai ușor decât un cadru din oțel sau aluminiu. Dar motivul pentru care nu este realizat este din cauza pieței. Fibra de carbon este un material scump și dificil de lucrat, iar proprietățile sale mecanice sunt cele mai potrivite atunci când solicitați aplicații foarte ușoare.

construiți o bicicletă încadrată din oțel, atunci când obțineți tuburile suficient de puternice pe lungimea lor, astfel încât, din cauza proprietăților izotrope ale oțelului, obțineți rezistența laterală gratuit, rezistența la rezistența lucrurilor care lovesc în ea, rezistența la accidente etc.

Într-un cadru din fibră de carbon, nu obțineți rezistența în celelalte dimensiuni, cu excepția cazului în care alegeți să îl proiectați. cadrele puternice în acele zone. Ei ar putea face acest lucru, dar aleg să nu facă acest lucru, deoarece nu este necesar pentru scopul destinat bicicletelor.

Când construiești o bicicletă încărcată, pierzi multe dintre avantajele fibrelor de carbon și așa ar fi mult mai economic de utilizat din oțel sau aluminiu. Mai ales atunci când aruncați câteva sticle de apă umplute în geantă aproape că depășește economia de greutate.

Comentarii

• Răspuns excelent!
• Se amestecă dur și durabil și acestea sunt total diferite. Aluminiul nu este durabil, deoarece oboseste, iar carbonul nu oboseste. Ce este greu? Îmi place carbonul, dar un Salsa Fargo este oțel dintr-un motiv bun. Oțelul are un punct de producție mai mic, dar nu eșuează catastrofal.
• @Blam: Aluminiu poate fi foarte durabil. Durabil nu are o ‘ o definiție tehnică și sigur, în timp ce Al nu are o limită de rezistență precum oțelul, durata de oboseală poate fi fii suficient de grozav pentru a-l transforma într-o problemă.Mai mult, componentele compozite pot fi construite astfel încât să nu dea greș catastrofal, cu toate acestea în câteva situații în care sunt utilizate astăzi este o cerință de utilizare.
• Durata de viață a oboselii bicicletei din aluminiu nu este o problemă.

Mai întâi o declarație de renunțare: majoritatea a ceea ce știu despre fabricarea fibrelor de carbon provine de la aeronave, nu biciclete. De asemenea, rețineți că fibra de carbon nu este singurul compozit care se folosește – doar pentru o alternativă, fibrele din Kevlar pot fi utile și (Kevlarul este mai puternic, dar și mai flexibil decât carbonul).

Fibra de carbon este puternică, dar nu răspunde bine la tensiunile point . Acest lucru se datorează în mare măsură faptului că este practic o pânză (țesută din fibre de carbon). Dacă puneți mult stres într-un singur punct, puneți stresul doar pe câteva dintre aceste fibre de carbon. În timp ce fibrele în sine sunt extrem de puternice (pentru greutatea lor), legătura care ține împreună fibrele individuale este mult mai slabă. Pentru comparație, gândiți-vă la banda de ambalare care are fibre de sticlă care se întind pe lungimea sa. Fibra de sticlă în sine este cu adevărat puternică, dar banda de plastic și „goo” care le ține împreună este mult mai slabă. Deși detaliile diferă, aceeași idee generală se aplică și fibrelor de carbon.

Rezistența exactă depinde și de direcție. Așa cum am spus mai sus, fibra de carbon începe ca niște fire care sunt țesute în pânză. Pânza este apoi impregnată cu un fel de epoxidic (epoxidul exact utilizat variază în funcție de aplicație), așezat într-o matriță, ambalat sub vid ¹ , apoi coapte pentru întărirea epoxidului. Puteți obține pânza în diferite țesături diferite, unele cu aceeași cantitate de fibră de carbon care rulează în fiecare direcție, altele cu (să zicem) 80% din fibra de carbon într-o direcție și doar 20% în cealaltă direcție. Se presupune că majoritatea CF utilizate într-un cadru de bicicletă sunt probabil undeva mai aproape de cea din urmă varietate, majoritatea firelor rulând de-a lungul lungimii unui tub și considerabil mai puțin rulează în jurul circumferinței tubului.

Atâta timp cât ne referim la acesta, carbonul este, de asemenea, de aproximativ două ori mai puternic în ceea ce privește faptul că este întins decât cel comprimat. De obicei, veți avea aproximativ de două ori mai multe straturi în care este supus în primul rând unei sarcini de compresie.

¹ Împachetarea sub vid înseamnă că o pungă mare de plastic este plasată în jurul matriței și a pânzei așezate și aerul aspirat. Presiunea aerului din exterior menține straturile de pânză strânse între ele să (încercați) să vă asigurați că, atunci când sunt „coapte, ele acționează ca un singur strat, nu ca straturi separate. Acest lucru are un efect redus asupra rezistenței atunci când este supus întinderii, dar are un efect uriaș atunci când este supus comprimării sau îndoirii.

Comentarii

• Răspuns interesant. Este posibil să folosiți fibra de carbon în așa fel încât să fie la fel de puternică ca, să zicem, aluminiu? ‘ Am impresia că răspunsul este da, dar ar fi mai gros, mai greu și mai scump.
• @neilfein: GT Fury și Santa Cruz V-10 Carbon sunt biciclete montane de curse în jos. Ei ‘ sunt cu siguranță duri. Sunt cu siguranță ” mai groase, mai grele și mai scumpe . ”
• @ neilfein: că ‘ este aproape imposibil de răspuns fără a face multe pentru a cuantifica ceea ce te stresează ‘ despre care vorbești. Ca materie primă, CF este mult mai puternică decât aluminiul, dar proiectarea unui cadru utilizabil pentru a profita de această rezistență este mult mai dificilă.
• +1 pentru lucrurile despre rezistența direcțională . Mașinile de Formula 1 au suspensie din fibră de carbon și este ridicol de puternică de-a lungul axei de deplasare (cantitatea de compresie generată de acele aripi din spate este uriașă!), Dar se închide în mod regulat după un impact frontal cu bucăți de resturi (relativ) viteze reduse.

Fibra de carbon este un material foarte puternic, dar ca orice material este face unele lucruri mai bine decât altele. Din Wikipedia :

Fibra de carbon este foarte puternică atunci când este întinsă sau îndoită, dar slabă când este comprimat sau expus la șocuri mari (de exemplu, o bară din fibră de carbon este extrem de dificil de îndoit, dar se va sparge ușor dacă este lovită cu un ciocan). faptul că un cadru din fibră de carbon poate susține greutatea unui călăreț plus toate forțele pe care le adaugă un călăreț (care poate depăși de câteva ori greutatea lor corporală) nu este nicidecum slab. Toate acestea pentru mai puțin decât greutatea unui cadru de aluminiu sau oțel comparabil.

Dar anumite tipuri de forțe – cum ar fi impacturile ascuțite – pot deteriora fibrele și epoxidica slăbind materialul, lucru care este mai puțin probabil cu un metal.Și o clemă mică poate zdrobi un tub CF, având suficientă forță (puteți face acest lucru și cu tuburi de aluminiu cu pereți subțiri, dar necesită mai mult efort).

Comentarii

• De fapt, acesta este opusul unui material ‘ dur ‘. Un material dur poate face față unei deformări plastice mari înainte de spargere, oțelul este dur, fonta sau CF nu. Gândiți-vă la plastic = dur, sticlă = puternic
• @mgb: schimbat ” dur ” la ” puternic ”
• A fost cu adevărat interesant să vezi un arbore de transmisie din fibră de carbon pe o mașină la banda de tracțiune. Șocul brusc al unei lansări AWD foarte dure a provocat un eșec destul de dramatic, în ciuda faptului că este din punct de vedere tehnic mai puternic decât un arbore de transmisie tipic din oțel.

Un pic târziu la petrecere, dar aici este „pâinea mea”: După cum sa menționat mai sus, o metodă obișnuită de fabricație a cadrelor CF implică „depunerea” mai multor straturi de fibre impregnate cu rășină de diferite orientări către optimizați caracteristicile de rezistență în funcție de sarcinile așteptate și de performanța necesară a cadrului (de ex. rigid vs flexibil / flexibil). În acest sens CF poate fi adaptat mai precis la un set de cerințe pentru cea mai ușoară greutate. Ca și în cazul oricărei probleme de inginerie, există compromisuri. Fiecare strat este în esență bidimensional (gândiți-vă la x și axa y pentru o foaie plată), a treia dimensiune, grosimea (cred că axa z) este doar acumularea de straturi de fibre, dar nu are rezistență a fibrelor în sine, ci doar rezistență din matricea de rășină care ține toate fibrele împreună. Deci, prin grosimea materialului, structurile compozite CF sunt cele mai slabe. Și un mod comun de eșec este cunoscut sub numele de delaminare (legătura dintre straturi eșuează). Acest lucru se poate întâmpla de la o lovitură la suprafață și orice delaminare din straturi nu va fi vizibilă din exterior. Doar scanările pot detecta amploarea oricăror daune – metoda low-tech implică atingerea suprafeței și ascultarea eventualelor modificări ale tonului robinetelor – necesită o ureche antrenată și este mai puțin evident pentru profan să facă diferența între o schimbare a tonului datorită unei delaminări față de o schimbare a structurii subiacente (straturile extr apropiate îmbinărilor etc …).

Delaminarea este punctul slab al cadrelor CF și de ce, în opinia mea, acestea pot fi descrise ca „puternic” dar NU „dur” sau „rezistent la daune”. Întrucât orice bang vechi ar putea pune în pericol forța cadrului și ar putea duce la un eșec catastrofal neașteptat. Metalul, pe de altă parte, cedează treptat atunci când este supraîncărcat – deci eșuarea bruscă (dacă este proiectată corect) este mai puțin probabil să apară.

Deci, marea întrebare a fost întotdeauna – dacă prăbușesc o bicicletă CF, cum o să știu că faima are încă integritate structurală.

Vorbesc ca ciclist și inginer care s-a specializat în cariera mea timpurie în materiale compozite și lipite. Răspunsul la riscul de delaminare constă în materialele compozite în care fibrele rulează și în dimensiunea z (grosime). Acest lucru poate fi realizat prin structuri din fibre „tricotate” în care fibrele leagă / blochează straturile împreună – „tricotul” din fibră uscată este apoi ținut într-o matriță și rășină lichidă injectată și întărită. Din câte știu, niciun producător nu folosește încă această tehnică (costisitoare – lucruri de tip buget militar / aerospațial). Acestea continuă cu metoda tradițională de depunere a fibrelor pre-impregnate. Unii producători vorbesc despre „țeserea fibrelor împreună” de la un tub la altul într-un cadru de bicicletă, dar nu cred că acesta este „tricotatul” prin straturile unei tehnici de fabricație mai avansate.

De fapt, nu știu detaliile complete, dar știu că fibra de carbon tinde să fie puternică și flexibilă în unele direcții și nu foarte puternică în altele. Deci, atunci când construiți un cadru din el, îl puteți alinia corect, astfel încât cadrul să fie înclinat și să absoarbă șocurile în modul în care ar trebui să funcționeze cadrele, dar dacă aplicați o presiune greșită (de exemplu, lăsați-o lateral pe o curbă concretă), s-ar putea să crape.

Dar, așa cum a fost probabil clarificat de întrebarea anterioară , nu sunt de fapt sigur 🙂