Dlaczego włókno węglowe jest z natury słabe? Albo jest?

Włókno węglowe niekoniecznie jest materiałem “słabym” czy “kruchym”. Gdybyś miał rurę o takiej samej średnicy i grubości typowej rury CF jak typowa stalowa rura ramowa, ta rura 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 kostkę ze stali, będzie ona reagować w ten sam sposób niezależnie od tego, w którą stronę ją pociągniesz lub popchniesz.

Włókno węglowe jest materiałem kompozytowym. Składa się z ton małych wiązek włókien trzymanych razem z epoksydem.

Blok ze stali jest, cóż, jak stal, ale włókno węglowe jest jak duża wiązka sklejonych ze sobą słomek. W jednym kierunku jest niezwykle mocne, ale jeśli popchniesz lub pociągniesz na bok, to się zapadnie. W tym jednym wymiarze, w którym jest mocne, jest znacznie silniejsze od stali. Jednak w innych kierunkach jest raczej słaba.

Tak więc inżynierowie potrafili wykorzystać te właściwości w ramach rowerowych. W ramie rowerowej ogromna, zdecydowana większość sił znajduje się zasadniczo wzdłuż jednego wymiaru. Mogą one sprawić, że rury będą cieńsze i lżejsze, a jednocześnie zachowają pożądaną wytrzymałość i sztywność.

Nie ma więc żadnego mechanicznego powodu, dla którego nie można by zbudować w pełni obciążonego roweru turystycznego lub czegoś w rodzaju Salsy Fargo z ramą karbonową, która mogłaby być równie wytrzymała i trwała. I prawdopodobnie byłby lżejszy niż rama stalowa czy aluminiowa. Ale powodem, dla którego tego nie zrobiono, jest rynek. Włókno węglowe jest drogim materiałem i trudnym do obróbki, a jego właściwości mechaniczne najlepiej sprawdzają się w przypadku, gdy wymagasz bardzo lekkich zastosowań.

Kiedy budujesz rower z ramą stalową, kiedy otrzymujesz wystarczająco mocne rury na całej ich długości, że ze względu na właściwości izotropowe stali, otrzymujesz za darmo wytrzymałość poprzeczną, wytrzymałość na uderzenia, wytrzymałość na zderzenia, itp. W rowerach z włókna węglowego, w których waga jest poważnym problemem, podjęto decyzję inżynieryjną, aby nie zwiększać wytrzymałości ram w tych obszarach. Mogliby to zrobić, ale nie zdecydowaliby się na to, ponieważ nie jest to konieczne w rowerach przeznaczonych do tego celu.

Kiedy budujesz rower z dużym obciążeniem, tracisz wiele zalet włókien węglowych, a więc znacznie bardziej ekonomiczne byłoby użycie stali lub aluminium. Zwłaszcza wrzucenie do sakwy kilku napełnionych butelek z wodą prawie przewyższa oszczędność wagi.

Pierwsze zastrzeżenie: większość tego, co wiem o produkcji włókna węglowego pochodzi z samolotów, nie rowerów. Zauważ również, że włókno węglowe jest nie jedynym kompozytem, który jest używany - tylko dla jednej alternatywy, włókna kewlarowe mogą być również przydatne (kewlar jest silniejszy, ale również bardziej elastyczny niż węgiel).

Włókno węglowe jest silne, ale nie reaguje dobrze na punkt naprężeń. Jest to w dużej mierze spowodowane tym, że jest to w zasadzie tkanina (utkana z włókien węglowych). Jeśli w jednym punkcie kładziesz dużo naprężeń, to tylko na kilka z tych włókien węglowych kładziesz ten naprężenie. Podczas gdy same włókna są niezwykle wytrzymałe (ze względu na swoją wagę), klejenie trzymające poszczególne włókna razem jest znacznie słabsze. Dla porównania, proszę pomyśleć o taśmie pakowej, która ma włókna szklane biegnące wzdłuż swojej długości. Samo włókno szklane jest naprawdę mocne, ale pasek tworzywa sztucznego i “goo” trzymający je razem jest dużo słabszy. Chociaż szczegóły różnią się od siebie, ta sama ogólna idea dotyczy również włókna węglowego.

Dokładna wytrzymałość zależy również od kierunku. Jak powiedziałem powyżej, włókno węglowe zaczyna się jako w zasadzie nici, które są wplecione w tkaninę. Szmatka jest następnie impregnowana jakimś rodzajem epoksydu (dokładny epoksyd stosowany różni się w zależności od zastosowania), ułożone w formie, pakowane próżniowo1, a następnie pieczone do utwardzenia epoksydu. Szmatkę można uzyskać w różnych splotach, niektóre z taką samą ilością włókna węglowego biegnącego w każdym kierunku, inne z (powiedzmy) 80% włókna węglowego w jednym kierunku, a tylko 20% w drugim kierunku. Zgaduję, że większość CF używanych w ramie rowerowej jest prawdopodobnie gdzieś bliżej tej ostatniej odmiany, z większością wątków biegnących po długości rury, a znacznie mniej biegnących po obwodzie rury.

Tak długo, jak jesteśmy na to: karbon jest również około dwukrotnie silniejszy pod względem rozciągania niż ściskania. Zazwyczaj jest to około dwa razy więcej warstw, gdzie jest on poddawany głównie obciążeniu ściskającemu.

1 Worki próżniowe oznaczają, że wokół formy i ułożonej tkaniny umieszcza się duży worek plastikowy, a powietrze jest zasysane. Ciśnienie powietrza na zewnątrz utrzymuje warstwy tkaniny szczelnie razem, aby (starając się) zapewnić, że podczas pieczenia działają one jako jedna warstwa, a nie oddzielne warstwy. Ma to niewielki wpływ na wytrzymałość przy rozciąganiu, ale ogromny przy ściskaniu lub zginaniu.

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

Włókno węglowe jest bardzo mocne, gdy jest rozciągnięte lub zgięte, ale słabe, gdy jest ściśnięte lub narażone na duże wstrząsy (np. pręt z włókna węglowego jest niezwykle trudny do zgięcia, ale łatwo pęknie, gdy zostanie uderzony młotkiem).

Biorąc pod uwagę, że rama z włókna węglowego może wytrzymać ciężar zawodnika plus wszystkie siły, które zawodnik dodaje (które mogą przekroczyć kilkukrotną wagę jego ciała), w żadnym wypadku nie jest słabe. Wszystko to za mniej niż ciężar porównywalnej ramy aluminiowej lub stalowej.

Ale niektóre rodzaje sił - jak ostre uderzenia - mogą uszkodzić włókna i epoksydy osłabiając materiał, co jest mniej prawdopodobne w przypadku metalu. I mały zacisk może zmiażdżyć rurę CF, biorąc pod uwagę wystarczającą siłę (można to zrobić z cienkościennych rur aluminiowych zbyt, ale to wymaga więcej wysiłku).

Myślę też, że warto zwrócić uwagę na to, że choć włókno węglowe można układać tak, aby było wystarczająco mocne, to wcale nie jest plastyczne, jak stal czy (w mniejszym stopniu) aluminium. Można umieścić całkiem niezłe wgniecenie w metalowej ramie i nadal jeździć do domu, ale jeśli umieścić wgniecenie w włókna węglowego masz prawdopodobnie narażone całą rurę do tego stopnia, że prawdopodobnie nie należy jeździć na nim. To po prostu o wiele bardziej kruche, więc deformacja oznacza złamanie, gdzie w metalach to zwykle oznacza coś jest rozciągnięte lub ściśnięte, co robi stosunkowo mniej, aby zaszkodzić integralności strukturalnej.

Trochę późno na imprezę, ale oto mój ha'penneth: Jak wspomniano powyżej, powszechna metoda produkcji ram CF polega na “ułożeniu” wielu warstw impregnowanych żywicą włókien o różnych orientacjach w celu optymalizacji charakterystyki wytrzymałościowej zgodnie z oczekiwanymi obciążeniami i wymaganymi parametrami ramy (np. sztywna vs. elastyczna/elastyczna). W tym sensie CF może być bardziej precyzyjnie dopasowane do zestawu wymagań dla najlżejszej wagi. Jak w przypadku każdego problemu technicznego istnieją kompromisy. Każda warstwa jest w zasadzie dwuwymiarowa (patrz oś x i y dla płaskiego arkusza), trzeci wymiar, grubość (patrz oś z) to tylko nagromadzenie warstw włókien, ale nie ma żadnej wytrzymałości włókien jako takich, tylko wytrzymałość z matrycy żywicznej, która utrzymuje wszystkie włókna razem. Tak więc to właśnie dzięki grubości materiału struktury kompozytowe CF są najsłabsze. Powszechnie spotykanym sposobem zniszczenia jest rozwarstwienie (zniszczenie wiązania między warstwami). Może to nastąpić od uderzenia w powierzchnię, a wszelkie rozwarstwienia wewnątrz warstw nie będą widoczne z zewnątrz. Tylko skany są w stanie wykryć zakres uszkodzeń - metoda low-tech polega na stukaniu w powierzchnię i nasłuchiwaniu wszelkich zmian w tonie kranów - wymaga wytrenowanego ucha i jest mniej oczywista dla laika, aby odróżnić zmianę tonu spowodowaną delaminacją od powiedzmy zmiany w warstwie spodniej (zewnętrzne warstwy w pobliżu połączeń itp…).

Delaminacja jest słabym punktem ramek CF i dlaczego, moim zdaniem, można je określić jako “mocne”, ale nie “twarde” czy “odporne na uszkodzenia”. Ponieważ każdy stary huk mógłby zagrozić wytrzymałości ramy i doprowadzić do nieoczekiwanej, nagłej, katastrofalnej awarii. Z drugiej strony metal stopniowo ustępuje przy przeciążeniu - tak więc nagłe uszkodzenie (jeśli jest poprawnie zaprojektowane) jest mniej prawdopodobne.

Tak więc wielkie pytanie dla mnie zawsze brzmiało - jeśli rozbiję rower CF skąd będę wiedział, że sława nadal ma integralność strukturalną.

Mówię jako kolarz i inżynier, który specjalizował się w mojej wczesnej karierze w kompozytach i materiałach łączonych. Odpowiedź na ryzyko rozwarstwienia leży w materiałach kompozytowych, w których włókna biegną również w wymiarze z (grubość). Można to osiągnąć dzięki “dzianym” strukturom włóknistym, w których włókna łączą/przymocowują warstwy - suche włókno “dziane” jest następnie trzymane w formie, a płynna żywica jest wtryskiwana i utwardzana. O ile mi wiadomo, żaden z producentów nie stosuje jeszcze tej techniki (kosztowna - wojskowa/ lotniczo-kosmosmosu). Kontynuują one tradycyjną metodę układania wstępnie zaimpregnowanych włókien. Niektórzy producenci mówią o “tkaniu włókien razem” z jednej rury na drugą w ramie roweru, ale ja nie uważam, że jest to “dzianie” przez warstwy bardziej zaawansowanej techniki produkcji.

Właściwie nie znam wszystkich szczegółów, ale wiem, że Carbon Fiber ma tendencję do bycia silnym i elastycznym w niektórych kierunkach, a w innych niezbyt silnym. Kiedy więc buduje się z niego ramę, można ją tak ustawić, aby była wygięta i pochłaniała wstrząsy w sposób, w jaki ma działać, ale jeśli zastosuje się do niej niewłaściwy nacisk (np. upuści się ją bokiem na betonową krzywą), może pęknąć.

Ale, jak być może jasno wynika z mojego poprzednie pytanie , nie jestem pewien :)