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

To pytanie skłoniło mnie do myślenia: Gdybym mógł zastosować ramę z włókna węglowego, zrobiłbym to, ale koszt i mój styl jazdy utrzymują mnie przy użyciu stali i aluminium. (Lubię ciągnąć rzeczy na stojaki i nie jestem chudym facetem.)

Szukam fizycznego powodu, dla którego węgiel jest słabym, delikatnym materiałem, odpowiednim do lekkich rowerów, które będą delikatnie traktowane. Pamiętaj, że robią z nich samoloty!

Czy istnieje jakiś powód, dla którego włókno węglowe należy traktować za pomocą rękawiczek dla dzieci? Co takiego jest w materiale, który jest lekki i silny? A może słabość węgla jest mitem, a to wszystko w sposobie, w jaki obecnie budowane są ramy rowerowe z włókna węglowego?

Włókno węglowe niekoniecznie jest „słabym” lub „delikatnym” materiałem. Gdybyś miał rurkę o tej samej średnicy i grubości typowego CF co typowa stalowa rama z ramą, ta rurka CF byłaby niezwykle 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 on w ten sam sposób, niezależnie od tego, w którą stronę go ciągniesz lub popychasz.

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

Blok stali jest, podobnie jak stal, ale włókno węglowe jest jak duży zestaw sklejonych ze sobą słomek. W jednym kierunku jest bardzo silny, ale jeśli popchniesz lub pociągniesz na bok, to się zapadnie. W tym jednym wymiarze, gdzie jest silny, jest znacznie silniejszy niż stal. Jednak w innych kierunkach jest raczej słabo.

Inżynierowie mogli więc wykorzystać te właściwości w ramach rowerowych. W ramie rowerowej ogromna większość sił ma przede wszystkim jeden wymiar. Mogą sprawić, że rury będą cieńsze i lżejsze, a jednocześnie zachowają pożądaną wytrzymałość i sztywność.

Nie ma więc mechanicznego powodu, aby nie zbudować w pełni załadowanego roweru turystycznego lub czegoś takiego jak Salsa Fargo z ramą z włókna węglowego, a może być równie wytrzymały i trwały. I prawdopodobnie byłby lżejszy niż rama stalowa lub aluminiowa. Ale powodem tego nie jest rynek. Włókno węglowe jest drogim materiałem i trudnym w obróbce, a jego właściwości mechaniczne najlepiej nadają się, gdy potrzebujesz bardzo lekkich zastosowań.

Kiedy budujesz rower z ramą stalową, kiedy masz wystarczająco mocne rury na całej długości, że ze względu na właściwości izotropowe stali, zyskujesz za darmo wytrzymałość boczną, wytrzymałość na uderzanie w nią przedmiotów, wytrzymywanie wypadków itp.

W ramie z włókna węglowego nie uzyskasz siły w innych wymiarach, chyba że zdecydujesz się ją zaprojektować. W rowerach z włókna węglowego, gdzie waga jest poważnym problemem, podjęto decyzję inżynieryjną, aby nie wzmocnić ram te obszary. Mogliby to zrobić, ale zdecydowali się tego nie robić, ponieważ nie jest to konieczne do przeznaczenia motocykla.

Kiedy budujesz rower o dużym obciążeniu, tracisz wiele zalet włókien węglowych, a więc znacznie tańszym rozwiązaniem byłoby użycie stali lub aluminium. Zwłaszcza, gdy wrzucanie do sakwy kilku napełnionych butelek z wodą prawie przewyższa oszczędność masy.

Najpierw zastrzeżenie: większość tego, co wiem o wytwarzaniu włókien węglowych, pochodzi z samolotów, a nie z rowerów. Należy również pamiętać, że włókno węglowe nie jest jedynym kompozytem, ​​który się stosuje - tylko dla jednej alternatywy, włókna Kevlar mogą być również przydatne (Kevlar jest mocniejszy, ale także bardziej elastyczny niż węgiel).

Włókno węglowe jest mocne, ale nie reaguje dobrze na naprężenia punktowe . Wynika to głównie z faktu, że jest to w zasadzie tkanina (utkana z włókien węglowych). Jeśli w jednym punkcie nakładasz dużo stresu, obciążasz je tylko kilkoma włóknami węglowymi. Podczas gdy same włókna są wyjątkowo silne (ze względu na swoją wagę), wiązanie utrzymujące poszczególne włókna razem jest znacznie słabsze. Dla porównania pomyśl o taśmie pakowej, która ma włókna szklane biegnące wzdłuż jej długości. Samo włókno szklane jest naprawdę mocne, ale pasek plastiku i „lepka”, które je trzymają, są znacznie słabsze. Chociaż szczegóły różnią się, ten sam ogólny pomysł dotyczy również włókna węglowego.

Dokładna siła zależy również od kierunku. Jak powiedziałem powyżej, włókno węglowe zaczyna się jako nici wplecione w materiał. Następnie tkanina jest impregnowana jakimś rodzajem żywicy epoksydowej (dokładna zastosowana żywica zmienia się w zależności od zastosowania), układana w formie, pakowana próżniowo ¹ , a następnie wypiekana w celu utwardzenia żywicy epoksydowej. Możesz uzyskać tkaninę w różnych różnych splotach, niektóre z tą samą ilością włókna węglowego biegną w każdym kierunku, inne z (powiedzmy) 80% włókna węglowego w jednym kierunku, a tylko 20% w drugim kierunku. Domyślamy się, że większość CF używanych w ramie rowerowej jest prawdopodobnie bliżej tej drugiej odmiany, przy czym większość wątków biegnie wzdłuż długości rurki, a znacznie mniej wokół obwodu rurki.

Tak długo, jak jesteśmy przy tym: węgiel jest około dwa razy silniejszy w stosunku do rozciągania niż w przypadku kompresji. Zazwyczaj masz około dwa razy więcej warstw, w których jest on głównie obciążony ściskaniem.

¹ Worki próżniowe oznaczają, że wokół formy i leżącej tkaniny umieszcza się dużą plastikową torbę, a powietrze jest zasysane. Ciśnienie powietrza na zewnątrz utrzymuje warstwy tkaniny szczelnie razem, aby (starać się) zapewnić, że gdy zostaną upieczone, będą działać jak pojedyncza warstwa, a nie oddzielne warstwy. Ma to niewielki wpływ na wytrzymałość podczas rozciągania, ale ma ogromny wpływ na ściskanie lub zginanie.

Włókno węglowe jest bardzo mocnym materiałem, ale jak każdy materiał robi niektóre rzeczy lepiej niż inne. Z Wikipedii :

Włókno węglowe jest bardzo mocne po rozciągnięciu lub zgięciu, ale słabe po ściśnięciu lub narażeniu na silne uderzenia (np. Pręt z włókna węglowego jest niezwykle trudny do zgięcia, ale łatwo pęka, gdy zostanie uderzony młotkiem).

Biorąc pod uwagę, że rama z włókna węglowego może wytrzymać ciężar rowerzysty plus wszystkie siły, które jeździec dodaje (które mogą przekraczać kilkukrotnie masę ciała), nie jest on wcale słaby. Wszystko to za mniej niż waga porównywalnej ramy aluminiowej lub stalowej.

Ale niektóre rodzaje sił - takie jak ostre uderzenia - mogą uszkodzić włókna i żywicę epoksydową osłabiając materiał, co jest mniej prawdopodobne w przypadku metalu. Mały zacisk może zmiażdżyć rurkę CF, przy wystarczającej sile (możesz to zrobić również z cienkościennymi rurkami aluminiowymi, ale wymaga to większego wysiłku).

Myślę, że warto również zauważyć, że chociaż włókno węglowe można ułożyć tak, aby było wystarczająco mocne, wcale nie jest plastyczne, jak stal lub (w mniejszym stopniu) aluminium. Możesz umieścić dość dobrą wgniecenie w metalowej ramie i nadal jeździć do domu, ale jeśli włożysz wgniecenie z włókna węglowego, prawdopodobnie uszkodziłeś całą rurkę do tego stopnia, że ​​prawdopodobnie nie powinieneś na niej jeździć. Jest po prostu o wiele bardziej kruchy, więc deformacja oznacza pękanie, gdzie w metalach zwykle oznacza to, że coś jest rozciągnięte lub ściśnięte, co czyni stosunkowo mniej szkodliwe dla integralności strukturalnej.

Trochę za późno na imprezę, ale oto moje ha'penneth: Jak wspomniano powyżej, powszechna metoda produkcji ram CF polega na „układaniu” wielu warstw impregnowanych żywicą włókien o różnych orientacjach w celu zoptymalizowania właściwości wytrzymałościowych w zależności od oczekiwanych obciążeń i wymaganej wydajności ramy (np. sztywny vs elastyczny / elastyczny). W tym sensie CF można precyzyjniej dostosować do zestawu wymagań dotyczących najlżejszej wagi. Jak w przypadku każdego problemu inżynierskiego istnieją kompromisy. Każda warstwa jest zasadniczo dwuwymiarowa (pomyśl oś xiy dla płaskiego arkusza), trzeci wymiar, grubość (myśl oś z) to po prostu nagromadzenie warstw włókien, ale nie ma żadnej siły włókien jako takiej, tylko wytrzymałość z matryca żywiczna, która utrzymuje wszystkie włókna razem. Tak więc dzięki grubości materiału struktury kompozytowe CF są najsłabsze. A powszechny rodzaj awarii znany jest jako rozwarstwienie (połączenie między warstwami ulega awarii). Może się to zdarzyć od uderzenia w powierzchnię, a wszelkie rozwarstwienie w warstwach nie będzie widoczne z zewnątrz. Tylko skany mogą wykryć zasięg każdego uszkodzenia - metoda low-tech polega na stukaniu w powierzchnię i nasłuchiwaniu wszelkich zmian w tonie uderzeń - wymaga wyszkolonego ucha i mniej oczywiste dla laika rozróżnienie zmiany tonu z powodu rozwarstwienia kontra powiedzmy zmiana podstawowego układu (warstwy zewnętrzne w pobliżu złączeń itp.). Może się to zdarzyć od uderzenia w powierzchnię, a wszelkie rozwarstwienie w warstwach nie będzie widoczne z zewnątrz. Tylko skany mogą wykryć zasięg każdego uszkodzenia - metoda low-tech polega na stukaniu w powierzchnię i nasłuchiwaniu wszelkich zmian w tonie uderzeń - wymaga wyszkolonego ucha i mniej oczywiste dla laika rozróżnienie zmiany tonu z powodu rozwarstwienia kontra powiedzmy zmiana podstawowego układu (warstwy zewnętrzne w pobliżu złączeń itp.). Może się to zdarzyć od uderzenia w powierzchnię, a wszelkie rozwarstwienie w warstwach nie będzie widoczne z zewnątrz. Tylko skany mogą wykryć zasięg każdego uszkodzenia - metoda low-tech polega na stukaniu w powierzchnię i nasłuchiwaniu wszelkich zmian w tonie uderzeń - wymaga wyszkolonego ucha i mniej oczywiste dla laika rozróżnienie zmiany tonu z powodu rozwarstwienia kontra powiedzmy zmiana podstawowego układu (warstwy zewnętrzne w pobliżu złączeń itp.).

Delaminacja jest słabym punktem ramek CF i dlatego, moim zdaniem, można je opisać jako „mocne”, ale NIE „twarde” lub „odporne na uszkodzenia”. Ponieważ każdy stary huk może zagrozić sile ramy i doprowadzić do nieoczekiwanej nagłej katastrofalnej awarii. Z drugiej strony metal stopniowo poddaje się przeładowaniu - więc nagłe uszkodzenie (jeśli jest właściwie zaprojektowane) jest mniej prawdopodobne.

Tak więc najważniejsze pytanie zawsze brzmiało: jeśli rozbiłbym rower CF, to skąd będę wiedział, że sława nadal jest strukturalna.

Mówię jako rowerzysta i inżynier, który specjalizował się we 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 za pomocą „dzianych” struktur włóknistych, w których włókna łączą / blokują warstwy razem - suchy „dzianinowy” włókno jest następnie trzymany w formie, a ciekła żywica jest wtryskiwana i utwardzana. O ile mi wiadomo, żaden producent nie stosuje jeszcze tej techniki (kosztowne - rzeczy w rodzaju budżetu wojskowego / kosmicznego). Kontynuują tradycyjny układ włókien wstępnie impregnowanych. Niektórzy producenci mówią o „tkaniu włókien razem” z jednej rury do drugiej w ramie roweru, ale nie sądzę, że jest to „przeplatanie” warstw bardziej zaawansowanej techniki produkcji.

Właściwie nie znam pełnych szczegółów, ale wiem, że włókno węglowe jest w niektórych kierunkach mocne i elastyczne, aw innych niezbyt silne. Więc kiedy zbudujesz z niego ramkę, możesz wyrównać ją dokładnie tak, aby rama była zgięta i absorbowała wstrząsy w sposób, w jaki powinny działać ramki, ale jeśli wywierzesz na nią niewłaściwy nacisk (powiedzmy, upuść ją na bok betonowa krzywa), może pęknąć.

Ale, jak być może wyjaśniło moje poprzednie pytanie , tak naprawdę nie jestem pewien :)