Чому вуглецеве волокно властиво слабким? Або це?

Це питання змусило мене задуматися: Якби я міг використовувати карбоновий каркас, я б хотів, але витрата та стиль їзди продовжують використовувати сталь та алюміній. (Мені подобається тягати речі на стелажах, і я не худий хлопець.)

Я шукаю фізичну причину, чому вуглець - слабкий, неміцний матеріал, підходить для легких велосипедів, до яких буде поводитися делікатно. Майте на увазі, вони роблять літаки з цього матеріалу!

Чи є якась причина, коли вуглепластиком доводиться обробляти дитячі рукавички? Що це за матеріал, який чинить опір легкому та міцному? Чи, мабуть, слабкість вуглецю є міфом, і все в тому, що в даний час побудовані рами з вуглецевих велосипедів?

Вуглецеве волокно не обов'язково є "слабким" або "крихким" матеріалом. Якби у вас була трубка такого ж діаметру і товщини, що типова CF, як типова трубка сталевого каркаса, ця трубка була б надзвичайно міцною і міцною.

Такі метали, як сталь та алюміній, є ізотропними матеріалами. Це означає, що їх механічні властивості однакові у всіх напрямках. Якщо у вас кубик із сталі, він буде реагувати так само, незалежно від того, в якому напрямку ви натягуєте або натискаєте на нього.

Вуглецеве волокно - це композитний матеріал. Він складається з тонн маленьких пучків волокон, утримуваних разом з епоксидним покриттям.

Сталевий блок є, як і сталь, але вуглецеве волокно - це як великий пучок соломинок, склеєних разом. В одному напрямку він надзвичайно сильний, але якщо натиснути або потягнути в бік, він зруйнується. У тому одному вимірі, де він міцний, він набагато міцніший за сталь. Однак в інших напрямках це досить хитро.

Отже, інженери змогли експлуатувати ці властивості у велосипедних рамах. У велосипедній рамі переважна переважна більшість сил перебуває, головним чином, вздовж одного виміру. Вони можуть зробити трубки тоншими і легшими, але при цьому зберігають бажану міцність і жорсткість.

Отже, немає ніяких механічних причин, щоб ви не могли побудувати повністю завантажений туристичний велосипед або щось на зразок Salsa Fargo з карбоновим каркасом, і це може бути настільки ж міцно і довговічно. І, певно, було б легше, ніж сталевий або алюмінієвий каркас. Але причина цього не робиться - через ринок. Вуглецеве волокно - це дорогий матеріал, з яким важко працювати, а його механічні властивості найкраще підходять, коли ви вимагаєте дуже легкого застосування.

Коли ви будуєте велосипед із сталевого обрамлення, коли ви отримуєте трубки достатньо міцними по їх довжині, що завдяки ізотропним властивостям сталей ви отримуєте бічну міцність безкоштовно, сили протистояти речам, що стукають у неї, витримуючи збої тощо.

У рамі з вуглецевого волокна ви не отримаєте сили в інших вимірах, якщо ви не вирішите його проектувати. У велосипедах з вуглепластику, де вага викликає серйозне занепокоєння, було прийнято інженерне рішення не робити рамки міцними ці райони. Вони могли б зробити це, але вони вирішили не робити, оскільки це не потрібно для велосипедів за призначенням.

Коли ви будуєте велосипед з великим навантаженням, ви втрачаєте багато переваг з вуглецевих волокон, і тому було б набагато економічніше використовувати сталь або алюміній. Особливо, коли кидати пару наповнених пляшками води у панно, майже перевищує економію ваги.

По-перше, відмова від відповідальності: більшість того, що я знаю про виготовлення вуглецевого волокна, відбувається з літаків, а не з велосипедів. Також зауважте, що вуглецеве волокно - не єдиний композит, який звикає - лише для однієї альтернативи, кевларові волокна також можуть бути корисними (Кевлар міцніший, але і більш гнучкий, ніж вуглецевий).

Вуглецеве волокно міцне, але не добре реагує на точкові напруги. Це багато в чому тому, що це в основному тканина (виткана з вуглецевих волокон). Якщо ви піддаєте велику напругу в одній точці, ви ставите це навантаження лише на кілька вуглецевих волокон. Хоча самі волокна надзвичайно міцні (для їх ваги), зв’язки, що тримають окремі волокна разом, значно слабкіші. Для порівняння подумайте про пакувальну стрічку, яка має скловолокнисті волокна по своїй довжині. Склопластик сам по собі справді міцний, але смужка пластику та "гу", що тримає їх разом, набагато слабкіші. Хоча деталі відрізняються, однакова загальна ідея стосується і вуглецевого волокна.

Точна сила залежить також від напрямку. Як я вже говорив вище, вуглецеве волокно починається як в основному нитки, вплетені в тканину. Потім тканину просочують якоюсь епоксидною дією (точна використовувана епоксидна речовина змінюється залежно від нанесення), викладається у форму, упаковується у вакуум ¹ , потім випікається для затвердіння епоксидної смоли. Ви можете дістати тканину в різних різних ткацьких тканинах, одні з однаковою кількістю вуглецевого волокна, що біжать у кожному напрямку, інші з (скажімо) 80% вуглецевого волокна в одному напрямку, і лише 20% в іншому напрямку. Як здогадується, більша частина CF, що використовується в рамі велосипеда, ймовірно, десь ближче до останнього різновиду, при цьому більшість ниток проходить по довжині трубки і значно менше проходить по колу трубки.

Поки ми до цього: вуглець також приблизно вдвічі сильніше по відношенню до розтягування, ніж стиснення. Зазвичай у вас є приблизно вдвічі більше шарів, де він в основному піддається стискаючому навантаженню.

¹ Вакуумне пакетування означає, що великий великий пластиковий пакет розміщується навколо форми та укладеної тканини, а повітря висмоктується. Тиск повітря на зовнішній стороні тримає шари тканини щільно один до одного (намагайтеся) забезпечити, щоб при випіканні вони діяли як один шар, а не окремі шари. Це мало впливає на силу при розтягуванні, але величезний ефект при стисненні або згинанні.

Вуглецеве волокно - дуже міцний матеріал, але, як і будь-який матеріал, він робить деякі речі краще, ніж інші. З Вікіпедії :

Вуглецеве волокно дуже міцне при розтягуванні або зігнутті, але слабке при стисненні або підданні сильного удару (наприклад, вуглецеве волокно вкрай важко зігнути, але легко потріскається при ударі молотком).

Враховуючи, що каркас з вуглецевого волокна може підтримувати вагу вершника плюс усі сили, які додає вершник (що може перевищувати в кілька разів більше їхньої маси тіла), це аж ніяк не є слабким. Все це за меншу вагу порівнянного каркаса з алюмінію чи сталі.

Але певні типи сил - на зразок різких ударів - можуть пошкодити волокна та епоксидне ослаблення матеріалу, що є менш ймовірним для металу. А невеликий затискач може розчавити трубку CF, доклавши достатньої сили (це можна зробити і з тонкостінною алюмінієвою трубкою, але це потребує більше зусиль).

Я думаю, що також варто зазначити, що хоча вуглепластик може бути закладений досить міцним, він зовсім не пластичний, як сталь або (меншою мірою) алюміній. Ви можете помістити в металевий каркас досить гарного розміру і все одно їздити додому, але якщо ви покладете вм’ятину у вуглецеве волокно, ви, ймовірно, поставили під загрозу всю трубку до того, що ви, мабуть, не повинні їздити на ній. Це просто набагато крихкіше, тому деформація означає розрив, де в металах це зазвичай означає щось розтягнуте або стиснене, що порівняно менше шкодить структурній цілісності.

Трохи запізнюючись на партію, але ось мій ha'penneth: Як зазначалося вище, звичайний спосіб виготовлення каркасів із CF включає в себе "укладання" декількох шарів волокон, просочених смолою різного спрямування, щоб оптимізувати міцнісні характеристики відповідно до очікуваних навантажень та необхідних характеристик рамки (наприклад, жорстка проти гнучка / гнучка). У цьому сенсі CF може бути більш точно підібраний до набору вимог до найменшої ваги. Як і з кожною інженерною проблемою, є компроміси. Кожен шар по суті є двовимірним (подумайте вісь x і y для плоского листа), третій розмір, товщина (думаю, вісь z) - це лише скупчення шарів волокон, але не має міцності волокна як такої, тільки міцність від смоляної матриці, яка утримує всі волокна разом. Тож саме через товщину матеріалу композиційні конструкції з CF є найслабшими. А загальний спосіб відмови відомий як розшарування (зв'язок між шарами не вдається). Це може статися від удару по поверхні, і будь-яке відшарування всередині шарів не буде видно зовні. Лише сканування дозволяє виявити ступінь будь-якої шкоди - низькотехнологічний метод передбачає натискання на поверхню та прослуховування будь-яких змін тону кранів - для цього потрібне навчене вухо і менш очевидно для мирян, щоб розмежовувати зміну тону. через розшарування порівняно з, скажімо, зміною базового плану (зовнішні шари біля з'єднань тощо). Це може статися від удару по поверхні, і будь-яке відшарування всередині шарів не буде видно зовні. Лише сканування дозволяє виявити ступінь будь-якої шкоди - низькотехнологічний метод передбачає натискання на поверхню та прослуховування будь-яких змін тону кранів - для цього потрібне навчене вухо і менш очевидно для мирян, щоб розмежовувати зміну тону. через розшарування порівняно з, скажімо, зміною базового плану (зовнішні шари біля з'єднань тощо). Це може статися від удару по поверхні, і будь-яке відшарування всередині шарів не буде видно зовні. Лише сканування дозволяє виявити ступінь будь-якої шкоди - низькотехнологічний метод передбачає натискання на поверхню та прослуховування будь-яких змін тону кранів - для цього потрібне навчене вухо і менш очевидно для мирян, щоб розмежовувати зміну тону. через розшарування порівняно з, скажімо, зміною базового плану (зовнішні шари біля з'єднань тощо).

Розшарування є слабким місцем кадрів МВ, і чому, на мою думку, вони можуть бути охарактеризовані як "сильні", але НЕ "жорсткі" або "стійкі до пошкодження". Оскільки будь-який старий удар може поставити під загрозу міцність кадру і призвести до несподіваного раптового катастрофічного збою. Метал, з іншого боку, поступово поступається при перевантаженні - тому раптова несправність (якщо правильно сконструйована) трапляється рідше.

Тож велике питання для мене завжди було - якщо я розбила велосипед CF, як я буду знати, що слава все ще має структурну цілісність.

Я виступаю як велосипедист та інженер, який спеціалізувався на моїй ранній кар’єрі у складі композиційних та зв’язаних матеріалів. Відповідь на ризик розшарування лежить у композиційних матеріалах, де волокна також працюють у розмірі z (товщина). Це може бути досягнуто завдяки "в'язаним" волокнистим структурам, де волокна з'єднують / замикають шари разом - сухе волокно "в'яжеться", потім утримується у формі, а рідка смола вводиться та затверджується. Наскільки мені відомо, жоден виробник досі не використовує цю техніку (дорого - військовий / космічний бюджет). Вони продовжують традиційним способом укладання попередньо просочених волокон методом. Деякі виробники говорять про "плетіння волокон" від однієї трубки до іншої в рамі велосипеда, але я не думаю, що це "в'язання" через шари більш досконалої технології виготовлення.

Я фактично не знаю повних деталей, але я знаю, що вуглецеве волокно має тенденцію бути сильним і гнучким в деяких напрямках, а в інших не дуже сильним. Тож, коли ви будуєте з нього кадр, ви можете вирівняти його точно так, щоб кадр був вигин і поглинав удари способами, які повинні працювати кадри, але якщо ви чините на нього неправильний тиск (скажімо, киньте його набік на крива бетону), вона може тріснути.

Але, як це було зрозуміло моїм попереднім питанням , я фактично не впевнений :)