Warum ist Kohlefaser von Natur aus schwach? Oder ist es?

Kohlefaser ist nicht unbedingt ein „schwaches“ oder „zerbrechliches“ Material. Wenn Sie ein Rohr mit dem gleichen Durchmesser und der gleichen Dicke von typischem CF wie ein typisches Stahlrahmenrohr hätten, wäre dieses CF-Rohr extrem stark und langlebig.

Metalle wie Stahl und Aluminium sind isotrope Materialien. Das heißt, ihre mechanischen Eigenschaften sind in alle Richtungen identisch. Wenn Sie einen Stahlwürfel haben, reagiert dieser auf dieselbe Weise, unabhängig davon, in welche Richtung Sie daran ziehen oder darauf drücken.

Kohlefaser ist ein Verbundwerkstoff. Es besteht aus Tonnen kleiner Bündel der Fasern, die mit einem Epoxidharz zusammengehalten werden.

Ein Stahlblock ist wie Stahl, aber Kohlefaser ist wie ein großes Bündel zusammengeklebter Strohhalme. In einer Richtung ist es extrem stark, aber wenn Sie zur Seite drücken oder ziehen, wird es zusammenbrechen. In dieser einen Dimension, in der es stark ist, ist es weitaus stärker als Stahl. In anderen Richtungen ist es jedoch ziemlich schwach.

So konnten Ingenieure diese Eigenschaften in Fahrradrahmen ausnutzen. In einem Fahrradrahmen ist die überwiegende Mehrheit der Kräfte hauptsächlich entlang einer einzigen Sie können Schläuche dünner und leichter machen und dennoch die gewünschte Festigkeit und Steifheit beibehalten.

Es gibt also keinen mechanischen Grund, warum Sie kein voll beladenes Tourenrad oder so etwas wie einen Salsa Fargo bauen könnten ein Carbonrahmen, und es könnte genauso robust und langlebig sein. Und es wäre wahrscheinlich leichter als ein Stahl- oder Aluminiumrahmen. Der Grund, warum dies nicht getan wird, ist der Markt. Kohlefaser ist ein teures Material und schwer zu verarbeiten, und ihre mechanischen Eigenschaften eignen sich am besten, wenn Sie sehr leichte Anwendungen benötigen.

Wenn Sie Bauen Sie ein Fahrrad mit Stahlrahmen, wenn Sie die Rohre entlang ihrer Länge so stark machen, dass Sie aufgrund der isotropen Eigenschaften des Stahls die Seitenfestigkeit kostenlos erhalten, die Festigkeit, um gegen Stöße zu stoßen, Stürzen standzuhalten usw.

In einem Kohlefaserrahmen erhalten Sie die Festigkeit in den anderen Dimensionen nur, wenn Sie sich für die Konstruktion entscheiden. Bei Kohlefaserfahrrädern, bei denen das Gewicht ein ernstes Problem darstellt, wurde die technische Entscheidung getroffen, dies nicht zu tun Die Rahmen sind in diesen Bereichen stark. Sie könnten dies tun, entscheiden sich jedoch dagegen, da dies für den beabsichtigten Zweck des Fahrrads nicht erforderlich ist.

Wenn Sie ein schwer beladenes Fahrrad bauen, verlieren Sie viele der Vorteile der Kohlefasern, und so wäre es auch Stahl oder Aluminium sind weitaus wirtschaftlicher zu verwenden. Besonders wenn Sie ein paar gefüllte Wasserflaschen in Ihren Koffer werfen, wird die Gewichtsersparnis fast überschritten.

Kommentare

• Hervorragende Antwort!
• Sie mischen robust und langlebig und sie sind völlig unterschiedlich. Aluminium ist nicht haltbar, da es ermüdet und Kohlenstoff nicht ermüdet. Was ist hart? Ich mag Carbon, aber ein Salsa Fargo ist aus gutem Grund Stahl. Stahl hat eine niedrigere Streckgrenze, versagt aber nicht katastrophal.
• @Blam: Aluminium kann sehr langlebig sein. Langlebig ‚ hat keine technische Definition, und während Al ‚ keine Haltbarkeitsgrenze wie Stahl hat, kann die Lebensdauer bestehen groß genug sein, um es zu einem Nicht-Problem zu machen.Darüber hinaus können Verbundbauteile so gebaut werden, dass sie nicht katastrophal ausfallen. In wenigen Situationen, in denen sie heute verwendet werden, ist jedoch eine Verwendung erforderlich.
• Die Lebensdauer von Aluminiumfahrrädern ist kein Problem.

Zunächst ein Haftungsausschluss: Das meiste, was ich über die Herstellung von Kohlefasern weiß, stammt aus Flugzeugen, nicht Fahrräder. Beachten Sie auch, dass Kohlefaser nicht der einzige Verbundstoff ist, der verwendet wird – nur für eine Alternative können Kevlar-Fasern ebenfalls nützlich sein (Kevlar ist stärker, aber auch flexibler als Kohlenstoff). P. >

Kohlefaser ist stark, reagiert jedoch nicht gut auf Punkt Spannungen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass es sich im Grunde genommen um Stoff handelt (der aus Kohlenstofffasern gewebt ist). Wenn Sie an einem einzigen Punkt viel Stress ausüben, belasten Sie nur einige dieser Kohlenstofffasern. Während die Fasern selbst extrem stark sind (für ihr Gewicht), ist die Bindung, die die einzelnen Fasern zusammenhält, viel schwächer. Stellen Sie sich zum Vergleich das Packband vor, auf dessen Länge Glasfaserfasern verlaufen. Die Glasfaser selbst ist sehr stark, aber der Plastikstreifen und die „Gänsehaut“, die sie zusammenhalten, sind viel schwächer. Obwohl sich die Details unterscheiden, gilt die gleiche allgemeine Idee auch für Kohlefasern.

Die genaue Festigkeit hängt auch von der Richtung ab. Wie ich oben sagte, beginnt Kohlefaser als ein Faden, der zu Stoff gewebt wird. Das Tuch wird dann mit einer Art Epoxidharz imprägniert (das genaue verwendete Epoxidharz variiert je nach Anwendung), in eine Form gelegt, 1 vakuumverpackt und dann zum Aushärten des Epoxidharzes gebrannt. Sie können das Tuch in verschiedenen Geweben erhalten, einige mit der gleichen Menge Kohlefaser in jeder Richtung, andere mit (sagen wir) 80% der Kohlefaser in einer Richtung und nur 20% in der anderen Richtung. Vermutlich liegt der größte Teil des in einem Fahrradrahmen verwendeten CF wahrscheinlich näher an der letzteren Sorte, wobei die meisten Gewinde entlang der Länge eines Rohrs verlaufen und erheblich weniger um den Umfang des Rohrs herum verlaufen.

Solange wir dabei sind: Kohlenstoff ist auch in Bezug auf Dehnung etwa doppelt so stark wie komprimiert. In der Regel haben Sie etwa doppelt so viele Lagen, in denen er hauptsächlich einer Druckbelastung ausgesetzt ist.

¹ Vakuumverpackung bedeutet, dass eine große Plastiktüte um die Form und das aufgelegte Tuch gelegt und die Luft abgesaugt wird. Der Luftdruck an der Außenseite hält die Stoffschichten fest zusammen um sicherzustellen, dass sie beim „Backen“ als einzelne Schicht und nicht als separate Schichten wirken. Dies hat wenig Einfluss auf die Festigkeit beim Dehnen, aber einen großen Einfluss beim Komprimieren oder Biegen.

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• Interessante Antwort. Ist es möglich, Kohlefasern so zu verwenden, dass sie so stark sind wie beispielsweise Aluminium? Ich ‚ habe den Eindruck, dass die Antwort ja lautet, aber sie wäre dicker, schwerer und teurer.
• @neilfein: Die GT Fury und das Santa Cruz V-10 Carbon sind Downhill-Mountainbikes. Sie ‚ sind sicherlich hart. Sie sind definitiv “ dicker, schwerer und teurer . “
• @ neilfein: Das ‚ ist fast unmöglich zu beantworten, ohne viel zu tun, um zu quantifizieren, worüber Sie ‚ sprechen. Als Rohmaterial ist CF viel stärker als Aluminium, aber das Entwerfen eines verwendbaren Rahmens, um diese Festigkeit zu nutzen, ist viel schwieriger.
• +1 für das Zeug über die Richtungsstärke . Formel-1-Autos haben eine Federung aus Kohlefaser, und sie ist entlang der Fahrachse lächerlich stark (die Kompression, die von diesen Heckflügeln erzeugt wird, ist enorm!), Knickt aber nach einem Frontalaufprall mit Trümmerteilen regelmäßig ein (relativ) niedrige Geschwindigkeiten.

Kohlefaser ist ein sehr starkes Material, aber wie jedes Material auch macht einige Dinge besser als andere. Aus Wikipedia :

Kohlefaser ist sehr stark, wenn sie gedehnt oder gebogen wird, aber schwach

In Anbetracht dessen, dass ein Kohlefaserstab extrem schwer zu biegen ist, aber leicht bricht, wenn er mit einem Hammer getroffen wird dass ein Kohlefaserrahmen das Gewicht eines Fahrers plus aller Kräfte tragen kann, die ein Fahrer hinzufügt (die das Mehrfache seines Körpergewichts überschreiten können), ist keineswegs schwach. All dies für weniger als das Gewicht eines vergleichbaren Aluminium- oder Stahlrahmens.

Bestimmte Arten von Kräften – wie scharfe Stöße – können jedoch die Fasern beschädigen und das Material durch Epoxidharz schwächen, was weniger wahrscheinlich ist ein Metall.Und eine kleine Klammer kann ein CF-Rohr bei ausreichender Kraft zerdrücken (Sie können dies auch mit dünnwandigen Aluminiumrohren tun, dies erfordert jedoch mehr Aufwand).

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• Eigentlich ist dies das Gegenteil eines ‚ zähen ‚ Materials. Ein zähes Material kann vor dem Brechen einer großen plastischen Verformung standhalten, Stahl ist zäh, Gusseisen oder CF nicht. Denken Sie Plastik = zäh, Glas = stark
• @mgb: geändert “ zäh “ in “ stark “
• Es war wirklich interessant zu sehen, wie eine Antriebswelle aus Kohlefaser an einem Auto am Bremsstreifen zersprang. Der plötzliche Schock eines sehr harten AWD-Starts verursachte einen ziemlich dramatischen Ausfall, obwohl er technisch stärker als eine typische Stahlantriebswelle war.

Etwas spät zur Party, aber hier ist mein ha penneth: Wie oben erwähnt, beinhaltet ein übliches Herstellungsverfahren für CF-Rahmen das „Auflegen“ mehrerer Schichten von mit Harz imprägnierten Fasern unterschiedlicher Ausrichtung Optimieren Sie die Festigkeitseigenschaften entsprechend den erwarteten Belastungen und der erforderlichen Leistung des Rahmens (z. B. starr gegenüber geschmeidig / flexibel). In diesem Sinne kann CF genauer auf eine Reihe von Anforderungen für das geringste Gewicht zugeschnitten werden. Wie bei jedem technischen Problem Kompromisse: Jede Schicht ist im Wesentlichen zweidimensional (denken Sie an x und y-Achse für eine flache Folie), die dritte Dimension, Dicke (denken Sie an die z-Achse), ist nur die Ansammlung von Faserschichten, hat jedoch keine Faserfestigkeit an sich, sondern nur die Festigkeit aus der Harzmatrix, die alle Fasern zusammenhält. Durch die Dicke des Materials sind CF-Verbundstrukturen am schwächsten. Eine übliche Art des Versagens ist die Delaminierung (die Verbindung zwischen den Schichten versagt). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen und eine Delaminierung innerhalb der Schichten ist von außen nicht sichtbar. Nur Scans können das Ausmaß von Schäden erkennen – die Low-Tech-Methode umfasst das Klopfen auf die Oberfläche und das Abhören von Tonänderungen der Wasserhähne – erfordert ein geschultes Ohr und ist für den Laien weniger offensichtlich, um zwischen Tonänderungen zu unterscheiden Aufgrund einer Delaminierung im Vergleich zu einer Änderung des zugrunde liegenden Layups (extr. Schichten in der Nähe von Verbindungen usw.).

Delaminierung ist die Schwachstelle von CF-Rahmen und warum können sie meiner Meinung nach als beschrieben werden „stark“, aber NICHT „zäh“ oder „widerstandsfähig gegen Beschädigungen“. Da jeder alte Knall die Festigkeit des Rahmens gefährden könnte und zu einem unerwarteten plötzlichen katastrophalen Ausfall führen würde. Metall hingegen gibt bei Überlastung allmählich nach – so dass ein plötzlicher Ausfall (bei korrekter Konstruktion) weniger wahrscheinlich ist.

Die große Frage für mich war also immer: Wenn ich ein CF-Fahrrad zum Absturz bringe, wie soll ich das tun? Ich weiß, dass der Ruhm immer noch strukturelle Integrität hat.

Ich spreche als Radfahrer und Ingenieur, der sich auf meine frühe Karriere in Verbund- und Verbundwerkstoffen spezialisiert hat. Die Antwort auf das Delaminationsrisiko liegt in Verbundwerkstoffen, bei denen Fasern auch in der Dimension z (Dicke) verlaufen. Dies kann durch „gestrickte“ Faserstrukturen erreicht werden, bei denen Fasern die Schichten miteinander verbinden / verriegeln – die trockene Faser „gestrickt“ wird dann in einer Form gehalten und flüssiges Harz injiziert und gehärtet. Soweit mir bekannt ist, verwendet noch kein Hersteller diese Technik (teuer – Budget für Militär / Luft- und Raumfahrt). Sie setzen die traditionelle Methode der vorimprägnierten Fasern fort. Einige Hersteller sprechen vom „Zusammenweben von Fasern“ von einem Rohr zum anderen in einem Fahrradrahmen, aber ich glaube nicht, dass dies das „Stricken“ durch die Schichten einer fortschrittlicheren Herstellungstechnik ist.

Ich kenne nicht alle Details, aber ich weiß, dass Kohlefaser in einigen Richtungen stark und flexibel ist und in anderen nicht sehr stark. Wenn Sie also einen Rahmen daraus bauen, können Sie ihn genau richtig ausrichten, sodass der Rahmen biegsam ist und Stöße auf die Art und Weise absorbiert, wie Rahmen funktionieren sollen. Wenn Sie jedoch den falschen Druck darauf ausüben (z. B. seitlich darauf fallen lassen) eine konkrete Kurve), es könnte knacken.

Aber, wie vielleicht durch meine vorherige Frage deutlich wurde, bin ich mir nicht sicher 🙂