Почему углеродное волокно по своей природе слабое? Или это?

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

Такие металлы, 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 его тянете или толкаете.

Углеродное волокно является композитным материалом. Он состоит из множества маленьких пучков волокон, скрепленных эпоксидной смолой.

Блок стали похож на сталь, но углеродное волокно похоже на большой пучок соломинок, склеенных вместе. В одном направлении он чрезвычайно прочный, но если его толкнуть или потянуть в сторону, он рухнет. В том единственном измерении, где он силен, он намного прочнее стали. Однако в других направлениях он довольно хлипкий.

Таким образом, инженеры смогли использовать эти свойства в велосипедных рамах. В велосипедной раме подавляющее, подавляющее большинство сил в основном сосредоточено в одном измерении. Они могут сделать трубы тоньше и легче, сохраняя при этом 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 карбоновой рамой, и он мог бы быть таким же прочным и долговечным. И это, вероятно, будет легче, чем стальная или алюминиевая рама. Но причина, по которой это не делается, — рынок. Углеродное волокно — дорогой материал, с которым трудно работать, а его механические свойства лучше всего подходят для очень легких применений.

Когда вы строите велосипед со стальной рамой, когда вы делаете трубы достаточно прочными по всей их длине, что из-за изотропных свойств стали вы получаете боковую прочность бесплатно, прочность, чтобы сопротивляться ударам предметов, выдерживать аварии и т. д.

В раме из углеродного волокна вы не получите прочность в других измерениях, если только не решите ее спроектировать. В велосипедах из углеродного волокна, где вес является серьезной проблемой, было принято инженерное решение не делать рамы прочными в те области. Они могли бы это сделать, но решили не делать этого, потому что это не нужно для предполагаемой цели велосипеда.

Когда вы строите тяжело нагруженный велосипед, вы теряете многие преимущества углеродного волокна, поэтому было бы гораздо экономичнее использовать сталь или алюминий. Особенно, когда пара полных бутылок с водой в вашей корзине почти превышает экономию веса.

Сначала оговорка: большая часть того, что я знаю о производстве углеродного волокна, получена из самолетов, а не из велосипедов. Также обратите внимание, что углеродное волокно — не единственный используемый композит — хотя бы в качестве альтернативы, могут быть полезны и кевларовые волокна (кевлар прочнее, но и более гибкий, чем углерод).

Углеродное волокно прочное, но плохо реагирует на точечные нагрузки. Во многом это связано с тем, что это в основном ткань (сотканная из углеродных волокон). Если вы оказываете большую нагрузку на одну точку, вы оказываете эту нагрузку только на несколько углеродных волокон. Хотя сами волокна чрезвычайно прочны (для своего веса), связь между отдельными волокнами намного слабее. Для сравнения, подумайте об упаковочной ленте, вдоль которой проходят волокна стекловолокна. Стекловолокно само по себе очень прочное, но полоска пластика и «клейка», скрепляющая их вместе, намного слабее. Хотя детали различаются, одна и та же общая идея применима и к углеродному волокну.

Точная сила также зависит от направления. Как я сказал выше, углеродное волокно начинается с нитей, которые вплетаются в ткань. Затем ткань пропитывают каким-либо видом эпоксидной смолы (конкретная используемая эпоксидная смола зависит от области применения), укладывают в форму, упаковывают в вакуумный мешок ¹ , а затем обжигают для затвердевания эпоксидной смолы. Вы можете получить ткань с различными переплетениями, некоторые с одинаковым количеством углеродного волокна, идущего в каждом направлении, другие с (скажем) 80% углеродного волокна в одном направлении и только 20% в другом направлении. Можно предположить, что большая часть CF, используемого в раме велосипеда, вероятно, ближе к последнему варианту, при этом большая часть резьбы проходит по длине трубы и значительно меньше по окружности трубы.

Пока мы в этом: углерод также примерно в два раза прочнее при растяжении, чем при сжатии. Обычно у вас будет примерно в два раза больше слоев там, где он в основном подвергается сжимающей нагрузке.

¹ Вакуумная упаковка означает, что вокруг формы и уложенной ткани помещается большой пластиковый пакет, из которого высасывается воздух. Давление воздуха снаружи удерживает слои ткани плотно вместе, чтобы (попытаться) гарантировать, что при выпечке они будут действовать 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 — очень прочный материал, но, как и любой другой материал, некоторые вещи он делает лучше, чем другие. Из Википедии :

Углеродное волокно очень прочное при растяжении или сгибании, но слабое при сжатии или воздействии сильного удара (например, стержень из углеродного волокна чрезвычайно трудно согнуть, но легко треснет при ударе молотком).

Учитывая, что рама из углеродного волокна может выдержать вес гонщика плюс все силы, которые добавляет гонщик (которые могут в несколько раз превышать вес его тела), она ни в коем случае не является слабой. Все это меньше, чем вес сопоставимой алюминиевой или стальной рамы.

Но некоторые типы сил, например резкие удары, могут повредить волокна и эпоксидную смолу, ослабив материал, что менее вероятно для металла. А небольшой зажим может раздавить трубку CF, если приложить достаточное усилие (вы можете сделать это и с тонкостенной алюминиевой трубкой, но это потребует 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 сделать довольно приличную вмятину на металлической раме и по-прежнему ехать на ней домой, но если вы сделаете вмятину на углеродном волокне, вы, вероятно, повредите всю трубу до такой степени, что вам, вероятно, не следует ездить на ней. Просто он намного более хрупок, поэтому деформация означает разрушение, тогда как в металлах это обычно означает растяжение или сжатие чего-то, что сравнительно меньше нарушает структурную целостность.

Немного опоздал на вечеринку, но вот мой ха'пеннет: как отмечалось выше, общий метод изготовления рам CF включает «укладку» нескольких слоев пропитанных смолой волокон разной ориентации для оптимизации характеристик прочности в соответствии с ожидаемыми нагрузками и требуемыми характеристиками. рамы (например, жесткая или эластичная/гибкая). В этом смысле CF может быть более точно адаптирован к набору требований для наименьшего веса. Как и в любой инженерной проблеме, здесь есть компромиссы. Каждый слой по существу двумерен (оси x и y для плоского листа), третье измерение, толщина (оси z) представляет собой просто скопление слоев волокон, но не имеет силы волокна как таковой, только прочность от смоляная матрица, которая удерживает все волокна вместе. Таким образом, композитные конструкции из углеволокна являются самыми слабыми благодаря толщине материала. И распространенный вид отказа известен как расслоение (разрыв связи между слоями). Это может произойти от удара по поверхности и любое расслоение внутри слоев не будет внешне видно. Только сканирование может определить степень любого повреждения - низкотехнологичный метод включает в себя постукивание по поверхности и прослушивание любых изменений тона ударов - это требует натренированного слуха и менее очевидно для неспециалиста, чтобы различить изменение тона. из-за расслоения по сравнению, скажем, с изменением базовой укладки (дополнительные слои возле соединений и т. д.). Это может произойти от удара по поверхности и любое расслоение внутри слоев не будет внешне видно. Только сканирование может определить степень любого повреждения - низкотехнологичный метод включает в себя постукивание по поверхности и прослушивание любых изменений тона ударов - это требует натренированного слуха и менее очевидно для неспециалиста, чтобы различить изменение тона. из-за расслоения по сравнению, скажем, с изменением базовой укладки (дополнительные слои возле соединений и т. д.). Это может произойти от удара по поверхности и любое расслоение внутри слоев не будет внешне видно. Только сканирование может определить степень любого повреждения - низкотехнологичный метод включает в себя постукивание по поверхности и прослушивание любых изменений тона ударов - это требует натренированного слуха и менее очевидно для неспециалиста, чтобы различить изменение тона. из-за расслоения по сравнению, скажем, с изменением базовой укладки (дополнительные слои возле соединений и т. д.).

Расслоение является слабым местом рам CF, и поэтому, на мой взгляд, их можно охарактеризовать как «прочные», но НЕ «жесткие» или «устойчивые к повреждениям». Так как любой старый грохот мог поставить под угрозу прочность рамы и привести к неожиданному внезапному катастрофическому выходу из строя. С другой стороны, металл постепенно поддается деформации при перегрузке, поэтому внезапный отказ (при правильном проектировании) маловероятен.

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

Я говорю как велосипедист и инженер, который в начале своей карьеры специализировался на композитных и клеевых материалах. Ответ на риск расслоения заключается в композитных материалах, в которых волокна также проходят по оси z (толщина). Это может быть достигнуто с помощью «вязаных» волокнистых структур, в которых волокна связывают / фиксируют слои вместе - «вязаное» сухое волокно затем удерживается в форме, а жидкая смола впрыскивается и отверждается. Насколько мне известно, ни один производитель еще не использует эту технику (дорогостоящую - военный / аэрокосмический бюджетный материал). Они продолжают традиционный метод укладки предварительно пропитанных волокон. Некоторые производители говорят о «переплетении волокон» от одной трубы к другой в раме велосипеда, но я не думаю, что это «связывание» слоев более продвинутой технологии производства.

На самом деле я не знаю всех подробностей, но я знаю, что углеродное волокно имеет тенденцию быть прочным и гибким в одних направлениях и не очень прочным в других. Таким образом, когда вы строите из него раму, вы можете выровнять ее точно так, чтобы рама изгибалась и поглощала удары так, как должны работать рамы, но если вы приложите к ней неправильное давление (скажем, уроните ее боком на бетонная кривая), он может треснуть.

Но, как, возможно, стало ясно из моего предыдущего вопроса , я на самом деле не уверен :)