Почему углеродное волокно по своей природе слабое? Или это так?

Углеродное волокно не обязательно является “слабым” или “хрупким” материалом. Если бы у вас была труба такого же диаметра и толщины, как у типичной CF-трубы со стальным каркасом, то эта CF-труба была бы чрезвычайно прочной и долговечной.

Металлы, такие как сталь и алюминий, являются изотропными материалами. Это означает, что их механические свойства идентичны во всех направлениях. Если у вас есть куб из стали, он будет реагировать одинаково независимо от того, в каком направлении вы на него потянете или надавите.

Углеродное волокно является композитным материалом. Оно состоит из тонны маленьких пучков волокон, удерживаемых вместе с эпоксидной смолой.

Блок стали, ну, как сталь, но углеродное волокно, как большой пучок соломинок, склеенных вместе. В одном направлении оно очень прочное, но если его толкнуть или потянуть в сторону, оно обрушится. В этом одном измерении, где она сильна, она значительно сильнее, чем сталь. Однако в других направлениях он довольно хрупкий.

Таким образом, инженеры смогли использовать эти свойства в рамах велосипедов. В велосипедной раме подавляющее, подавляющее большинство сил прилагается в основном по одному измерению. Они могут сделать трубы тоньше и легче, но при этом сохранить желаемую прочность и жесткость.

Таким образом, нет никаких механических причин, по которым 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 он, вероятно, будет легче, чем стальная или алюминиевая рама. Но причина, по которой это не было сделано, в том, что это рынок. Углеродное волокно - дорогой материал, с которым трудно работать, и его механические свойства лучше всего подходят, когда требуется очень легкое применение.

Когда вы строите велосипед со стальной рамой, когда вы получаете достаточно прочные трубы по их длине, что из-за изотропных свойств стали, вы получаете боковую прочность бесплатно, прочность, чтобы выдержать удары, и т.д.

В каркасе из углеродного волокна, вы не получите прочность в других размерах, если вы не решите спроектировать его в. В велосипедах из углеродного волокна, где вес является серьезной проблемой, инженерное решение было принято, чтобы не сделать рамы сильными в этих областях. Они могли бы сделать это, но они решили не делать этого, потому что это не нужно для велосипедов предназначенного назначения.

Когда вы строите велосипед с большой нагрузкой, вы теряете много преимуществ углеродного волокна, и поэтому было бы гораздо экономичнее использовать сталь или алюминий. Особенно при бросании пары наполненных бутылок с водой в вашем паньере едва ли не превышает экономию веса.

Первый отказ от ответственности: большая часть того, что я знаю о производстве углеродного волокна, приходит из самолетов, not велосипедов. Также обратите внимание, что углеродное волокно является not единственным композитом, который получает использование – только для одной альтернативы, кевлар волокна могут быть также полезны (кевлар сильнее, но также более гибким, чем углерод).

Углеродное волокно является сильным, но не реагирует хорошо на пункт напряжений. В основном это потому, что это ткань (сотканная из углеродных волокон). Если вы подвергаете большое напряжение в одной точке, вы подвергаете это напряжение лишь некоторым из этих углеродных волокон. В то время как сами волокна чрезвычайно прочны (по своему весу), соединение, удерживающее отдельные волокна, гораздо слабее. Для сравнения, подумайте об упаковочной ленте, в которой стекловолокно движется по своей длине. Стекловолокно само по себе действительно прочное, но полоса из пластика и “слизь”, удерживающая их вместе, намного слабее. Хотя детали различаются, та же самая общая идея применима и к углеродным волокнам.

Точная прочность также зависит от направления. Как я уже говорил выше, углеродное волокно начинается с того, что в основном нити сплетаются в ткань. Затем ткань пропитывается какой-то эпоксидной смолой (точная эпоксидная смола, используемая в зависимости от применения, варьируется), укладывается в форму, вакуумный мешок1, затем выпекается для затвердевания эпоксидной смолы. Вы можете получить ткань в различных переплетениях, одни с одинаковым количеством углеродного волокна, идущего в одном направлении, другие с (скажем) 80% углеродного волокна в одном направлении, и только 20% в другом направлении. Полагаю, большая часть CF, используемого в раме велосипеда, вероятно, находится где-то ближе к последнему сорту, причем большая часть нитей проходит по длине трубы, и значительно меньше - по ее окружности.

Пока мы находимся в этом положении: углерод также примерно в два раза прочнее по отношению к растягиванию, чем к сжатию. Обычно у вас в два раза больше слоёв, где он в основном подвергается сжатию.

1 Вакуумный мешок означает, что вокруг формы и уложенной ткани размещается большой пластиковый мешок, и воздух высасывается наружу. Давление воздуха снаружи удерживает слои ткани плотно друг к другу, чтобы (постарайтесь) убедиться, что когда они запекаются, они действуют как один слой, а не как отдельные слои. Это мало влияет на прочность при растяжении, но имеет огромный эффект при сжатии или изгибе.

Углеродное волокно является очень сильным материалом, но, как и любой материал, он делает некоторые вещи лучше, чем другие. Из Википедия :

Углеродное волокно является очень сильным, когда растягивается или сгибается, но слабым, когда сжимается или подвергается сильному удару (например, углеродное волокно бар очень трудно согнуть, но будет легко трескаться, если ударить молотком).

Учитывая, что каркас из углеродного волокна может поддерживать вес всадника плюс все силы, которые всадник добавляет (которые могут превышать в несколько раз их вес тела) это ни в коем случае не является слабым. Все это меньше веса сопоставимой алюминиевой или стальной рамы.

Но определенные виды сил - например, резкие удары - могут повредить волокна и эпоксидное ослабление материала, что менее вероятно при использовании металла. А маленький зажим может раздавить CF-трубу при достаточной силе (это можно сделать и с тонкостенной алюминиевой трубой, но для этого требуется больше усилий).

Я думаю, что также стоит отметить, что в то время как углеродное волокно может быть уложено, чтобы быть достаточно прочным, оно вовсе не вязкое, как сталь или (в меньшей степени) алюминий. Вы можете положить довольно хорошего размера вмятину в металлической раме и все еще ездить на нем домой, но если вы положили вмятину в углеродное волокно вы, вероятно, скомпрометировали всю трубку до такой степени, что вы, вероятно, не должны ехать на нем. Просто она намного более хрупкая, поэтому деформация означает разрыв, где в металлах это обычно означает, что что-то растягивается или сжимается, что сравнительно меньше вредит структурной целостности.

Немного поздновато для партии, но вот мой ха-пеннет: Как было отмечено выше, распространенный метод изготовления каркасов CF предполагает “укладку” нескольких слоев пропитанных смолой волокон различной ориентации для оптимизации прочностных характеристик в соответствии с ожидаемыми нагрузками и требуемыми характеристиками каркаса (например, жесткий против упругого/гибкого). В этом смысле CF может быть более точно подобран в соответствии с набором требований, предъявляемых к самому малому весу. Как и в случае с любой инженерной проблемой, существуют компромиссы. Каждый слой по существу является двухмерным (думайте оси x и y для плоского листа), третий размер, толщина (думайте оси z) - это просто накопление слоев волокон, но не имеет прочности волокна как таковой, а только прочность от смоляной матрицы, которая удерживает все волокна вместе. Поэтому именно благодаря толщине материала CF композитные структуры являются самыми слабыми. А распространенный способ разрушения известен как расслоение (разрушение связи между слоями). Это может произойти от удара о поверхность, и любое отслоение внутри слоев не будет видно снаружи. Только сканирование может определить степень любого повреждения - низкотехнологичный метод включает в себя постукивание по поверхности и прослушивание на предмет любых изменений тональности ответвлений - это требует обученного уха и менее очевидно для непрофессионала, чтобы отличить изменение тона из-за расслоения от, скажем, изменения в глубине расслоения (дополнительные слои вблизи соединений и т.д…).

Расслоение является слабым местом CF кадров и почему, на мой взгляд, их можно описать как “сильные”, но НЕ “жесткие” или “устойчивые к повреждениям”. Так как любой старый взрыв может поставить под угрозу прочность фрейма и привести к неожиданному внезапному катастрофическому отказу. Металл, с другой стороны, постепенно выходит из строя при перегрузке - так что внезапный отказ (при правильном проектировании) менее вероятен.

Таким образом, большим вопросом для меня всегда был - если я разобью мотоцикл CF, как я узнаю, что слава все еще имеет структурную целостность.

Я говорю как велосипедист и инженер, который специализировался на композитных и клеевых материалах в начале моей карьеры. Ответ на риск расслаивания лежит в композитных материалах, где волокна также имеют размер z (толщина). Этого можно добиться с помощью “трикотажных” волоконных структур, в которых волокна соединяют/замыкают слои - сухое волокно “трикотажа” удерживается в форме, а жидкая смола впрыскивается и вулканизируется. Насколько я знаю, ни один производитель еще не использует эту технику (дорогостоящий - армейский/аэрокосмический бюджетный тип вещей). Они продолжают традиционный метод укладки предварительно пропитанных волокон. Некоторые производители говорят о “переплетении волокон” из одной трубы в другую в велосипедной раме, но я не думаю, что это “вязание” через слои более продвинутой техники производства.

На самом деле я не знаю всех подробностей, но я знаю, что углеродное волокно имеет тенденцию быть сильным и гибким в одних направлениях, и не очень сильным в других. Поэтому, когда вы строите из него раму, вы можете выровнять ее так, чтобы рама была изогнута и амортизировала удары в том, как должны работать рамы, но если вы надавите на нее неправильно (скажем, сбросьте ее в сторону на бетонную кривую), она может треснуть.

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