Почему углеродное волокно слабое? Либо это?

Этот вопрос заставил меня задуматься: если бы у меня была возможность использовать карбоновую раму, я бы это сделал, но затраты и мой стиль катания заставляют меня использовать сталь и алюминий. (Мне нравится перевозить вещи на стойках, и я не тощий парень.)

Я ищу физическую причину, по которой углерод является слабым, хрупким материалом, подходящим для легких велосипедов, которые будут обрабатываться деликатно. Имейте в виду, они делают самолеты из этого материала!

Есть ли какая-то причина, по которой углеродное волокно нужно обрабатывать детскими перчатками? Что такого в материале, который сопротивляется быть легким и прочным? Или, может быть, слабость углерода - миф, и все это так, как в настоящее время строятся рамы из углеродного велосипеда?

Углеродное волокно не обязательно является «слабым» или «хрупким» материалом. Если бы у вас была труба того же диаметра и толщины, что и типичная CF, как у обычной стальной рамы, эта CF-трубка была бы чрезвычайно прочной и долговечной.

Металлы, такие как сталь и алюминий, являются изотропными материалами. Это означает, что их механические свойства одинаковы во всех направлениях. Если у вас есть стальной куб, он будет реагировать одинаково независимо от того, в каком направлении вы тянете или толкаете его.

Углеродное волокно - это композитный материал. Он состоит из тоненьких пучков волокон, скрепленных эпоксидной смолой.

Стальной блок, ну, как сталь, но углеродное волокно похоже на большой пучок соломинок, склеенных вместе. В одном направлении он чрезвычайно силен, но если вы толкнете или потянете в сторону, он рухнет. В этом одном измерении, где оно прочно, оно значительно прочнее стали. Однако в других направлениях это довольно хрупко.

Таким образом, инженеры смогли использовать эти свойства в велосипедных рамах. В раме велосипеда подавляющее большинство сил сосредоточено в основном в одном измерении. Они могут сделать трубки тоньше и легче, но при этом сохранить желаемую прочность и жесткость.

Таким образом, нет никакой механической причины, по которой вы не могли бы построить полностью загруженный туристический велосипед или что-то вроде Salsa Fargo с карбоновым каркасом, и он мог бы быть таким же прочным и долговечным. И это, вероятно, будет легче, чем стальная или алюминиевая рама. Но причина этого не из-за рынка. Углеродное волокно - дорогой материал, с которым трудно работать, а его механические свойства лучше всего подходят для случаев, когда требуется очень легкое применение.

Когда вы строите велосипед со стальной рамой, когда вы получаете трубы, достаточно прочные по всей их длине, что из-за изотропных свойств сталей вы получаете поперечную прочность бесплатно, прочность противостоять вбивающимся в него предметам, выдерживать столкновения и т. Д.

В раме из углеродного волокна вы не получите прочность в других измерениях, если не решите ее сконструировать. В велосипедах из углеродного волокна, где вес является серьезной проблемой, было принято инженерное решение, чтобы не сделать рамы прочными в эти области. Они могли бы сделать это, но они решили не делать этого, потому что это не обязательно для предназначенных велосипедов.

Когда вы строите тяжеловесный велосипед, вы теряете много преимуществ углеродных волокон, и поэтому было бы намного экономичнее использовать сталь или алюминий. Тем более, что бросив пару наполненных бутылок с водой в корзину, вы почти экономите на весе.

Во-первых, отказ от ответственности: большинство того, что я знаю о производстве углеродного волокна, исходит от самолетов, а не велосипедов. Также обратите внимание, что углеродное волокно - не единственный композит, который используется - только для одной альтернативы, кевларовые волокна также могут быть полезны (кевлар более прочный, но и более гибкий, чем углерод).

Углеродное волокно прочное, но плохо реагирует на точечные нагрузки. Это в основном потому, что это в основном ткань (сотканная из углеродных волокон). Если вы ставите много стресса в одной точке, вы ставите этот стресс только на несколько из этих углеродных волокон. Хотя сами волокна являются чрезвычайно прочными (для их веса), скрепление, удерживающее отдельные волокна вместе, намного слабее. Для сравнения рассмотрим упаковочную ленту, на которой по всей длине проложены волокна из стекловолокна. Само по себе стекловолокно действительно прочное, но полоска пластика и «липучка», удерживающая их вместе, намного слабее. Хотя детали различаются, та же общая идея применима и к углеродному волокну.

Точная сила также зависит от направления. Как я уже говорил выше, углеродное волокно начинается с нитей, которые вплетаются в ткань. Затем ткань пропитывают каким-либо эпоксидным материалом (точная эпоксидная смола зависит от применения), укладывают в форму, помещают в вакуумный пакет ¹ , а затем обжигают для отверждения эпоксидной смолы. Вы можете получить ткань в различных переплетениях, некоторые с одинаковым количеством углеродного волокна, бегущего в каждом направлении, другие с (скажем) 80% углеродного волокна в одном направлении и только 20% в другом направлении. Предполагается, что большая часть CF, используемая в раме велосипеда, вероятно, где-то ближе к последней разновидности, причем большая часть нитей проходит по длине трубки и значительно меньше проходит по окружности трубки.

Пока мы на этом: углерод также вдвое сильнее по отношению к растяжению, чем к сжатию. Обычно у вас будет примерно вдвое больше слоев, где он в основном подвергается сжимающей нагрузке.

¹ Вакуумная упаковка означает, что большой пластиковый пакет помещается вокруг формы и укладываемой ткани, а воздух отсасывается. Давление воздуха снаружи удерживает слои ткани плотно вместе, чтобы (попытаться) обеспечить, чтобы при выпекании они действовали как один слой, а не как отдельные слои. Это мало влияет на прочность при растяжении, но оказывает огромное влияние при сжатии или изгибе.

Углеродное волокно является очень прочным материалом, но, как и любой материал, оно делает некоторые вещи лучше, чем другие. Из Википедии :

Углеродное волокно очень прочное при растяжении или изгибе, но слабое при сжатии или сильном ударе (например, стержень из углеродного волокна очень трудно согнуть, но он легко треснет при ударе молотком).

Учитывая, что каркас из углеродного волокна может выдержать вес гонщика плюс все силы, которые добавляет гонщик (который может превышать вес своего тела в несколько раз), он ни в коем случае не слаб. Все это меньше, чем вес сопоставимой алюминиевой или стальной рамы.

Но определенные типы сил - такие как резкие удары - могут повредить волокна и эпоксидную смолу, ослабляя материал, что менее вероятно с металлом. А маленький зажим может раздавить CF-трубку при достаточном усилии (вы можете сделать это и с тонкостенной алюминиевой трубкой, но это требует больше усилий).

Я думаю, также стоит отметить, что, хотя углеродное волокно может быть достаточно прочным, оно совсем не пластичное, как сталь или (в меньшей степени) алюминий. Вы можете положить вмятину довольно хорошего размера в металлическую раму и по-прежнему ездить на ней домой, но если вы вставите вмятину из углеродного волокна, вы, вероятно, скомпрометировали всю трубку до такой степени, что вам, вероятно, не стоит кататься на ней. Это просто намного более хрупко, поэтому деформация означает разрушение, тогда как в металлах это обычно означает что-то растянутое или сжатое, что сравнительно меньше наносит ущерб структурной целостности.

Немного опоздал на вечеринку, но вот мой совет: как отмечалось выше, распространенный метод изготовления каркасов CF включает в себя «укладку» нескольких слоев пропитанных смолой волокон различной ориентации для оптимизации прочностных характеристик в соответствии с ожидаемыми нагрузками и требуемыми характеристиками. рамы (например, жесткий против гибкого / гибкого). В этом смысле CF может быть более точно адаптирован к ряду требований для самого легкого веса. Как и в любой инженерной проблеме, существуют компромиссы. Каждый слой, по сути, является двухмерным (думаю, оси x и y для плоского листа), третье измерение, толщина (думаю, ось z) - это просто скопление слоев волокон, но не имеет никакой прочности волокна как таковой, только прочность от смоляная матрица, которая удерживает все волокна вместе. Таким образом, именно благодаря толщине материала композитные структуры CF являются наиболее слабыми. И общий способ отказа известен как расслоение (связь между слоями разрушается). Это может произойти от удара по поверхности, и любое расслоение внутри слоев не будет видимо снаружи. Только сканы могут определить степень любого повреждения - низкотехнологичный метод включает в себя постукивание по поверхности и прослушивание любых изменений тона постукиваний - для этого требуется обученное ухо и для неспециалиста менее очевидно различать изменение тона из-за расслаивания по сравнению с, скажем, изменением в основной структуре (внешние слои рядом с соединениями и т. д.). Это может произойти от удара по поверхности, и любое расслоение внутри слоев не будет видимо снаружи. Только сканы могут определить степень любого повреждения - низкотехнологичный метод включает в себя постукивание по поверхности и прослушивание любых изменений тона постукиваний - для этого требуется обученное ухо и для неспециалиста менее очевидно различать изменение тона из-за расслаивания по сравнению с, скажем, изменением в основной структуре (внешние слои рядом с соединениями и т. д.). Это может произойти от удара по поверхности, и любое расслоение внутри слоев не будет видимо снаружи. Только сканы могут определить степень любого повреждения - низкотехнологичный метод включает в себя постукивание по поверхности и прослушивание любых изменений тона постукиваний - для этого требуется обученное ухо и для неспециалиста менее очевидно различать изменение тона из-за расслаивания по сравнению с, скажем, изменением в основной структуре (внешние слои рядом с соединениями и т. д.).

Расслоение является слабым местом фреймов CF и почему, на мой взгляд, их можно назвать «сильными», но НЕ «жесткими» или «устойчивыми к повреждениям». Поскольку любой старый удар мог поставить под угрозу прочность рамы и привести к неожиданному внезапному катастрофическому отказу. Металл, с другой стороны, постепенно уступает при перегрузке, поэтому вероятность внезапного отказа (если он правильно спроектирован) будет меньше.

Поэтому большой вопрос для меня всегда был - если я врежу велосипед CF, как я узнаю, что слава все еще имеет структурную целостность.

Я говорю как велосипедист и инженер, специализирующийся на моей ранней карьере в области композитных и связанных материалов Ответ на риск расслаивания лежит в композитных материалах, где волокна также имеют размер z (толщину). Это может быть достигнуто с помощью «вязаных» волокнистых структур, где волокна связывают / фиксируют слои вместе - сухое волокнистое «вязание» затем удерживается в форме, а жидкая смола вводится и отверждается. Насколько мне известно, ни один производитель еще не использует эту технику (дорого - военный / аэрокосмический бюджет). Они продолжают традиционную укладку предварительно пропитанных волокон методом. Некоторые производители говорят о «переплетении волокон» из одной трубки в другую в раме велосипеда, но я не думаю, что это «вязание» через слои более продвинутой технологии изготовления.

На самом деле я не знаю всех подробностей, но я знаю, что углеродное волокно имеет тенденцию быть сильным и гибким в некоторых направлениях, и не очень сильным в других. Поэтому, когда вы строите из нее рамку, вы можете выровнять ее так, чтобы рама была изогнутой и поглощала удары так, как должны работать рамы, но если вы оказываете на нее неправильное давление (скажем, уроните ее на конкретная кривая), это может треснуть.

Но, как, возможно, было ясно из моего предыдущего вопроса , я не совсем уверен :)