Varför är kolfiber i sig svagt? Eller är det?

Kolfiber är inte nödvändigtvis ett ”svagt” eller ”ömtåligt” material. Om du hade ett rör med samma diameter och tjocklek som typiskt CF som ett typiskt stålramrör, skulle det CF-röret vara extremt starkt och hållbart.

Metaller som stål och aluminium är isotropa material. Det betyder att deras mekaniska egenskaper är identiska i alla riktningar. Om du har en kub av stål svarar den på samma sätt oavsett vilken riktning du drar eller trycker på den.

Kolfiber är ett kompositmaterial. Den består av massor av små buntar av fibrer som hålls ihop med en epoxi.

Ett stålblock är, liksom stål, men kolfiber är som en stor bunt sugrör limmade ihop. I en riktning är den extremt stark, men om du skjuter eller drar åt sidan kommer den att kollapsa. I den ena dimensionen där den är stark är den mycket starkare än stål. Men i andra riktningar är det ganska spetsigt.

Så ingenjörer har kunnat utnyttja dessa egenskaper i cykelramar. I en cykelram är den stora, stora majoriteten av styrkorna primärt längs en enda dimension. De kan göra rören tunnare och lättare men ändå behålla önskad styrka och styvhet.

Så det finns ingen mekanisk anledning att du inte kunde bygga en fullastad touringcykel eller något liknande en Salsa Fargo med en kolstomme, och den kan vara lika tuff och hållbar. Och det skulle förmodligen vara lättare än en stål- eller aluminiumram. Men anledningen till att det inte är på grund av marknaden. Kolfiber är ett dyrt material och svårt att arbeta med, och dess mekaniska egenskaper passar bäst för när du kräver mycket lätta applikationer.

När du bygg en stålramad cykel, när du får rören tillräckligt starka längs längden, så att du på grund av stålets isotropa egenskaper får sidostyrkan gratis, styrkan att motstå saker som slår in i den, motstår kraschar, etc.

I en kolfiberram får du inte styrkan i de andra dimensionerna om du inte väljer att utforma den. I kolfibercyklar, där vikt är ett allvarligt problem, har det tekniska beslutet fattats att inte göra ramarna starka i dessa områden. De kunde göra det, men de väljer att inte göra det eftersom det inte är nödvändigt för cyklarnas avsedda ändamål.

När du bygger en tunglastad cykel förlorar du många fördelar med kolfibrerna, och så skulle det vara mycket mer ekonomiskt att använda stål eller aluminium. Särskilt när du kastar ett par fyllda vattenflaskor i väskan överstiger nästan viktbesparingarna.

Kommentarer

• Utmärkt svar!
• Du blandar tufft och hållbart och de är helt olika. Aluminium är inte tåligt eftersom det tröttnar och kol inte tröttnar ut. Vad är tufft? Jag gillar kol men en Salsa Fargo är stål av god anledning. Stål har en lägre sträckgräns men misslyckas inte katastrofalt.
• @Blam: Aluminium kan vara mycket hållbart. Slitstark ’ t har en ingenjörsdefinition, och säkert, medan Al inte ’ t har en uthållighetsgräns som stål, kan utmattningslivet vara tillräckligt stor för att göra det till en icke-fråga.Dessutom kan kompositkomponenter byggas för att inte misslyckas katastrofalt, men i få situationer där de används idag är det ett krav på användning.
• Trötthet hos aluminiumcyklar är inte ett problem.

Först en ansvarsfriskrivning: det mesta jag vet om kolfibertillverkning kommer från flygplan, inte cyklar. Observera också att kolfiber inte är den enda kompositen som används – bara för ett alternativ kan Kevlar-fibrer också vara användbara (Kevlar är starkare, men också mer flexibel än kol).

Kolfiber är stark men reagerar inte bra på punkt påfrestningar. Detta beror till stor del på att det i grund och botten är tyg (vävt av kolfibrer). Om du lägger mycket stress vid en enda punkt lägger du bara den spänningen på några av dessa kolfibrer. Medan fibrerna själva är extremt starka (för sin vikt), är bindningen som håller de enskilda fibrerna ihop mycket svagare. För jämförelse, tänk på förpackningstejpen som har glasfiberfibrer som löper längs dess längd. Glasfibern i sig är riktigt stark, men plastremsan och ”goo” som håller dem ihop är mycket svagare. Även om detaljerna skiljer sig, gäller samma allmänna idé också för kolfiber.

Den exakta styrkan beror också på riktning. Som jag sa ovan börjar kolfiber som en tråd i grunden som är vävda i tyg. Duken impregneras sedan med någon form av epoxi (den exakta epoxin som används varierar med applikationen), läggs i en form, vakuumpåsas ¹ och bakas sedan för att härda epoxin. Du kan få tyget i olika väv, några med samma mängd kolfiber som går i vardera riktningen, andra med (säg) 80% av kolfibern i en riktning och endast 20% i den andra riktningen. Med en gissning är det mesta av CF som används i en cykelram troligen någonstans närmare den senare sorten, med de flesta trådarna som löper längs ett rör och betydligt mindre löper runt rörets omkrets.

Så länge vi är på det: kol är också ungefär dubbelt så starkt med avseende på att sträckas som att vara komprimerat. Du kommer vanligtvis att ha ungefär dubbelt så många lager där det främst utsätts för en tryckbelastning.

¹ Vakuumpåse innebär att en stor plastpåse placeras runt formen och den upplagda trasan och luften sugs ut. Lufttrycket på utsidan håller tyglagren tätt ihop att (försöka) se till att när de ”bakas” fungerar de som ett enda lager, inte som separata lager. Detta har liten effekt på styrkan när den utsätts för sträckning, men en enorm effekt när den utsätts för komprimering eller böjning.

Kommentarer

• Intressant svar. Är det möjligt att använda kolfiber på ett sådant sätt att det kan vara lika starkt som exempelvis aluminium? Jag ’ får intrycket att svaret är ja, men det skulle vara tjockare, tyngre och dyrare.
• @neilfein: GT Fury och Santa Cruz V-10 Carbon är terrängcyklar i utförsåkning. De ’ är verkligen tuffa. De är definitivt ” tjockare, tyngre och dyrare . ”
• @ neilfein: Att ’ är nästan omöjligt att svara utan att göra mycket för att kvantifiera vad som stressar dig ’ du pratar om. Som råvara är CF mycket starkare än aluminium, men att utforma en användbar ram för att dra nytta av den styrkan är mycket svårare.
• +1 för grejerna om riktningsstyrka . Formel 1-bilar har fjädring gjord av kolfiber, och det är löjligt starkt längs färdaxeln (mängden kompression som genereras av de bakre vingarna är enorm!), Men det spänns regelbundet efter en kollision mot fronten med bitar av skräp vid (relativt) låga hastigheter.

Kolfiber är ett mycket starkt material, men som alla material är det gör vissa saker bättre än andra. Från Wikipedia :

Kolfiber är mycket starkt när det är sträckt eller böjt, men svagt när den är komprimerad eller utsatt för hög chock (t.ex. en kolfiberstång är extremt svår att böja, men spricker lätt om den träffas med en hammare).

Med tanke på att en kolfiberram kan bära vikten hos en ryttare plus alla de krafter som en ryttare lägger till (vilket kan överstiga flera gånger deras kroppsvikt) är det inte alls svagt. Allt detta för mindre än vikten av en jämförbar aluminium- eller stålram.

Men vissa typer av krafter – som skarpa stötar – kan skada fibrerna och epoxi som försvagar materialet, något som är mindre troligt med en metall.Och en liten klämma kan krossa ett CF-rör med tillräcklig kraft (du kan göra detta med tunnväggiga aluminiumrör också men det tar mer ansträngning).

Kommentarer

• faktiskt är detta motsatsen till ett ’ tufft ’ -material. Ett tufft material klarar en stor plastisk deformation innan det går sönder, stål är tufft, gjutjärn eller CF är det inte. Tänk plast = tufft, glas = starkt
• @mgb: ändrat ” tufft ” till ” stark ”
• Det var riktigt intressant att se en kolfiber drivaxel splittras på en bil vid dragremsan. Den plötsliga chocken med en mycket hård AWD-lansering orsakade ett ganska dramatiskt misslyckande trots att det var tekniskt starkare än en typisk ståldrivaxel.

Lite sent till festen men här är min ha ”penneth: Som nämnts ovan innebär en vanlig tillverkningsmetod för CF-ramar att” lägga upp ”flera lager hartsimpregnerade fibrer med olika orientering till optimera hållfasthetsegenskaperna enligt ramens förväntade belastningar och erforderliga prestanda (t.ex. styv kontra smidig / flexibel). I denna mening kan CF skräddarsys mer exakt efter en uppsättning krav för den lägsta vikten. Som med alla tekniska problem finns det Varje lager är i huvudsak tvådimensionellt (tänk x och y-axeln för ett platt ark), den tredje dimensionen, tjocklek (tänk z-axeln) är bara ackumuleringen av skikt av fibrer men har ingen fiberstyrka i sig, bara styrka från hartsmatrisen som håller alla fibrerna ihop. Så det är genom materialets tjocklek att CF-kompositstrukturer är svagast. Och ett vanligt felsätt kallas delaminering (bindningen mellan lager misslyckas). Detta kan hända från ett slag mot ytan och eventuell delaminering i skikten kommer inte att vara synlig utifrån. Endast skanningar kan upptäcka omfattningen av eventuella skador – den lågteknologiska metoden innebär att man tappar på ytan och lyssnar efter alla förändringar i kranernas ton – det kräver ett tränat öra och är mindre uppenbart för lekmannen att skilja mellan en tonändring på grund av en delaminering kontra säg en förändring i den underliggande uppläggningen (extr lagrar nära sammanfogningar etc …).

Delaminering är den svaga punkten i CF-ramar och varför, enligt min mening, kan de beskrivas som ”stark” men INTE ”tuff” eller ”motståndskraftig mot skador”. Eftersom varje gammalt smäll kunde äventyra ramens styrka och leda till ett oväntat plötsligt katastrofalt misslyckande. Metall å andra sidan ger gradvis efter överbelastning – så plötsligt fel (om det är korrekt utformat) är mindre troligt att det uppstår.

Så den stora frågan för mig har alltid varit – om jag kraschar en CF-cykel hur ska jag vet att berömmelsen fortfarande har strukturell integritet.

Jag talar som en cyklist och ingenjör som specialiserade mig i min tidiga karriär inom kompositmaterial och bondade material. Svaret på risken för delaminering ligger i kompositmaterial där fibrer också går i z (tjocklek) dimension. Detta kan uppnås genom ”stickade” fiberstrukturer där fibrer länkar / låser ihop skikten – torrfiber ”stickas” hålls sedan i en form och flytande harts injiceras och härdas. Så vitt jag känner till använder ingen tillverkare ännu denna teknik (kostsamt – militär / rymdbudget). De fortsätter med den traditionella uppläggningen av förimpregnerade fibrer. Vissa tillverkare talar om att ”väva ihop fibrer” från ett rör till ett annat i en cykelram men jag tror inte att det här är ”stickningen” genom skikten i en mer avancerad tillverkningsteknik.

Jag vet faktiskt inte alla detaljer, men jag vet att kolfiber tenderar att vara stark och flexibel i vissa riktningar och inte särskilt stark i andra. Så när du bygger en ram av den kan du justera den precis så att ramen är böjlig och absorberar stötar på det sätt som ramar ska fungera, men om du använder fel tryck på den (säg, släpp den i sidled på en konkret kurva), kan det spricka.

Men, som det kanske tydliggjordes av min föregående fråga , jag är inte riktigt säker 🙂