Karbon fiber neden doğal olarak zayıf? Yoksa öyle mi?

Bu soru düşünmeme neden oldu: Bir karbon çerçeve kullanmam mümkün olsaydı, giderdim, ama giderim ve binicilik tarzım beni çelik ve alüminyum kullanıyordu. (Raflara eşya çekmek hoşuma gidiyor ve sıska bir adam değilim.)

Karbonun hafifçe işlenecek hafif bisikletler için uygun, zayıf, kırılgan bir malzeme olmasının fiziksel bir nedenini arıyorum . Unutma, uçakları uçaktan çıkarırlar!

Karbon fiberin çocuk eldivenleriyle tedavi edilmesinin bir nedeni var mı? Hafif ve güçlü olmaya direnen malzemeyle ilgili nedir ? Veya, belki de, karbonun zayıflığı bir efsanedir ve hepsi şu anda karbon bisikletli karelerin inşa edilme şeklidir?

Karbon fiber mutlaka "zayıf" veya "kırılgan" bir malzeme değildir. Tipik çelik çerçeve tüpüyle aynı çapta ve tipik CF kalınlığına sahip bir tüpünüz varsa, bu CF tüpü çok güçlü ve dayanıklı olacaktır.

Çelik ve alüminyum gibi metaller izotropik malzemelerdir. Bu, mekanik özelliklerinin her yönde aynı olduğu anlamına gelir. Bir çelik küpünüz varsa, hangi yöne çekip itdiğinize bakılmaksızın aynı şekilde yanıt verir.

Karbon fiber kompozit bir malzemedir. Bir epoksi ile bir arada tutulan tonlarca küçük elyaf demetinden oluşur.

Bir çelik bloğu çelik gibidir, ama karbon lifi birbirine yapıştırılmış büyük bir demet demet gibidir. Bir yönde, son derece güçlüdür, ancak yana iter ya da çekerseniz, çökecektir. Güçlü olduğu bir boyutta, çelikten çok daha güçlüdür. Ancak, diğer yönlerde oldukça zayıf.

Böylece mühendisler bu mülkleri bisiklet çerçevelerinde kullanabildiler. Bir bisiklet çerçevesinde, kuvvetlerin büyük, büyük çoğunluğu ilk önce tek bir boyut boyuncadır. Tüpleri incelterek daha hafif hale getirebilirler ancak yine de istenen gücü ve sertliği korurlar.

Bu nedenle, tam yüklü bir tur bisikleti veya karbon çerçeveli bir Salsa Fargo gibi bir şey yapamamanız için mekanik bir neden yoktur ve bu kadar sert ve dayanıklı olabilir. Ve muhtemelen çelik veya alüminyum çerçeveden daha hafif olurdu. Ancak yapılmamasının nedeni pazar yüzünden. Karbon fiber pahalı bir malzemedir ve çalışması zordur ve mekanik özellikleri çok hafif uygulamalar istediğinizde en uygunudur.

Çelik çerçeveli bir bisiklet ürettiğinizde, boruları uzunlukları boyunca yeterince kuvvetli hale getirdiğinizde, çelikler izotropik özelliklerinden dolayı, yanal gücü bedavaya, çarpmalara, vb.

Bir karbon fiber çerçevede, tasarlamayı tercih etmediğiniz sürece, diğer boyutlarda gücü elde edemezsiniz. Ağırlığın ciddi bir endişe olduğu karbon fiber bisikletlerde, çerçevelerin sağlamlaştırılmaması için mühendislik kararı verilmiştir. bu alanlar. Bunu yapabilirlerdi, ama yapmamayı seçtiler, çünkü amaçlanan bisikletler için gerekli değil.

Ağır yüklü bir bisiklet ürettiğinizde, karbon fiber avantajlarının çoğunu kaybedersiniz ve bu nedenle çelik veya alüminyum kullanmak çok daha ekonomik olur. Özellikle küfeğinize birkaç tane doldurulmuş su şişesi atarken, ağırlıktan kazanma tasarrufunu neredeyse aştınız.

İlk önce bir feragatname: Karbon fiber üretimi hakkında bildiklerimin çoğu, bisikletten değil uçaktan geliyor . Ayrıca karbon fiberin kullanılan tek bileşik olmadığına dikkat edin - sadece bir alternatif için Kevlar lifleri de faydalı olabilir (Kevlar daha güçlüdür, fakat aynı zamanda karbondan daha esnektir).

Karbon lifi güçlüdür, ancak nokta gerilmelerine iyi yanıt vermez . Bu büyük ölçüde temelde bir bezdir (karbon elyafından dokunmuş). Tek bir noktaya çok fazla stres uygularsanız, bu stresi o karbon elyafların yalnızca birkaçı üzerine koyarsınız. Liflerin kendileri son derece güçlü olsalar da (ağırlıkları için), ayrı ayrı lifleri bir arada tutan bağ daha zayıftır. Karşılaştırma için, uzunluğu boyunca akan fiberglas liflere sahip paketleme bandını düşünün. Fiberglasın kendisi gerçekten güçlüdür, ancak bunları bir arada tutan plastik ve "goo" şeridi çok daha zayıftır. Ayrıntılar farklı olsa da, aynı genel fikir karbon elyafı için de geçerlidir.

Kesin güç, yöne de bağlıdır. Yukarıda söylediğim gibi, karbon elyaf temel olarak kumaşa dokunmuş iplikler olarak başlar. Kumaş daha sonra bir tür epoksi (kullanılan tam epoksi uygulamaya göre değişir) ile emdirilir, bir kalıp içine konur, vakum torbalı ¹ , daha sonra epoksi sertleştirmek için pişirilir. Bezi, her biri aynı yönde karbon fiber ile, bazıları (örneğin) bir yönde karbon lifinin% 80'ini ve diğer yönde yalnızca% 20'sini koyan çeşitli dokumalardan elde edebilirsiniz. Tahminen, bir bisiklet kasasında kullanılan CF'nin çoğu, muhtemelen bir sonraki tüpün uzunluğu boyunca akan ve tüpün çevresi etrafında kayda değer şekilde daha az akan ile, ikinci çeşitliliğe daha yakın bir yerdedir.

İçinde bulunduğumuz sürece: karbon da sıkıştırılmış olarak gerilmekle karşılaştırıldığında iki kat daha güçlüdür. Genellikle, esas olarak bir sıkıştırma yüküne maruz kaldığı katın iki katı kadar katınız olur.

¹ Vakumlu torbalama, kalıbın ve örülmüş bezin etrafına büyük bir plastik torba yerleştirildiği ve havanın emildiği anlamına gelir. Dış kısımdaki hava basıncı, kumaş katmanlarını bir arada sıkı tutar, (denendiğinde), pişirildiklerinde, ayrı katmanlar değil, tek kat olarak davrandıklarından emin olun. Bunun gerilmeye maruz kaldığında mukavemeti üzerinde çok az etkisi vardır, ancak sıkıştırma veya bükülmeye maruz kaldığında çok büyük bir etkisi vardır.

Karbon fiber çok güçlü bir malzemedir, ancak herhangi bir malzeme gibi bazı şeyleri diğerlerinden daha iyi yapar. Gönderen Vikipedi :

Karbon fiber, gerildiğinde veya büküldüğünde çok güçlüdür, ancak sıkıştırıldığında veya yüksek şoka maruz kaldığında zayıftır (örneğin, bir karbon fiber çubuğun bükülmesi oldukça zordur, ancak bir çekiçle vurulduğunda kolayca çatlar).

Bir karbon fiber çerçevenin bir sürücünün ağırlığını artı bir sürücünün (vücut ağırlığının birkaç katını aşabilen) eklediği tüm kuvvetleri destekleyebileceğini düşünmek, hiçbir şekilde zayıf değildir. Bütün bunlar, benzer bir alüminyum veya çelik çerçevenin ağırlığından daha az.

Ancak bazı kuvvet tipleri - keskin darbeler gibi - metallere daha az zarar verebilecek olan, malzemeyi zayıflatan elyaflara ve epoksiye zarar verebilir. Ve küçük bir mengene yeterli bir güç verilmiş bir CF borusunu ezebilir (bunu ince cidarlı alüminyum boru ile de yapabilirsiniz, ancak daha fazla çaba harcar).

Ayrıca, karbon fiberin çok güçlü olması için döşenebilirken, çelik gibi (veya daha az ölçüde) alüminyum gibi yumuşak olduğu söylenmeye değer olduğunu düşünüyorum. Metal çerçeveye oldukça iyi boyutta bir çukur yerleştirebilir ve yine de eve götürebilirsiniz, ancak karbon fiber içine bir çentik koyarsanız, muhtemelen tüm boruyu muhtemelen üzerinde sürmeyeceğiniz bir noktaya kadar tehlikeye atmışsınızdır. Bu sadece çok daha kırılgan, bu yüzden deformasyon kırmak, metallerde genellikle gergin veya sıkıştırılmış bir şey anlamına gelir, bu da yapısal bütünlüğü incitmek için nispeten daha az şey anlamına gelir.

Partiye biraz geç kaldın ama işte benim hansennim: Yukarıda belirtildiği gibi, CF çerçevelerinin ortak bir üretim yöntemi, beklenen yüklere ve istenen performansa göre mukavemet özelliklerini optimize etmek için farklı yönlerde çok sayıda reçine emdirilmiş elyaf katmanlarının "yerleştirilmesini" içerir. çerçevenin (örneğin sert vs esnek / esnek). Bu anlamda CF, en hafif ağırlık için bir dizi gereksinime daha kesin olarak uyarlanabilir. Her mühendislik probleminde olduğu gibi uzlaşmalar var. Her katman esasen iki boyutludur (düz bir tabaka için x ve y eksenini düşünün), üçüncü boyut, kalınlık (z ekseni düşünün) sadece lif katmanlarının birikimidir ancak kendi başına herhangi bir lif mukavemetine sahip değildir, sadece tüm lifleri bir arada tutan reçine matrisi. Bu nedenle, CF kompozit yapılarının en zayıf olduğu malzemenin kalınlığı boyuncadır. Ve ortak bir başarısızlık şekli delaminasyon olarak bilinir (katmanlar arasındaki bağ başarısız olur). Bu, yüzeye yapılan bir darbeden kaynaklanabilir ve katmanlar içindeki herhangi bir bozulma dışarıdan görünmez. Sadece taramalar herhangi bir hasarın derecesini tespit edebilir - düşük teknolojili yöntem, yüzeye dokunmayı ve muslukların tonundaki değişiklikleri dinlemeyi içerir - eğitimli bir kulak gerektirir ve yatçı için tondaki bir değişiklik arasında ayrım yapması daha az belirgindir Bir delaminasyon nedeniyle, altta yatan düzende bir değişiklik söyler (birleşme yerlerine yakın ekstreler vs.). Bu, yüzeye yapılan bir darbeden kaynaklanabilir ve katmanlar içindeki herhangi bir bozulma dışarıdan görünmez. Sadece taramalar herhangi bir hasarın derecesini tespit edebilir - düşük teknolojili yöntem, yüzeye dokunmayı ve muslukların tonundaki değişiklikleri dinlemeyi içerir - eğitimli bir kulak gerektirir ve yatçı için tondaki bir değişiklik arasında ayrım yapması daha az belirgindir Bir delaminasyon nedeniyle, altta yatan düzende bir değişiklik söyler (birleşme yerlerine yakın ekstreler vs.). Bu, yüzeye yapılan bir darbeden kaynaklanabilir ve katmanlar içindeki herhangi bir bozulma dışarıdan görünmez. Sadece taramalar herhangi bir hasarın derecesini tespit edebilir - düşük teknolojili yöntem, yüzeye dokunmayı ve muslukların tonundaki değişiklikleri dinlemeyi içerir - eğitimli bir kulak gerektirir ve yatçı için tondaki bir değişiklik arasında ayrım yapması daha az belirgindir Bir delaminasyon nedeniyle, altta yatan düzende bir değişiklik söyler (birleşme yerlerine yakın ekstreler vs.).

Delaminasyon, CF çerçevelerinin zayıf noktasıdır ve bence neden "güçlü" olarak değil, "zor değil" veya "hasara karşı esnek" olarak tanımlanabilir. Herhangi bir eski patlama çerçevenin gücünü tehlikeye atabildiğinden ve beklenmedik bir ani felaket başarısızlığına yol açabileceğinden. Öte yandan, metal aşırı yüklendiğinde kademeli olarak verim sağlar - yani ani arıza (doğru tasarlanmışsa) daha düşüktür.

Bu yüzden benim için büyük soru her zaman olmuştur - bir CF bisikletine çarptığımda şöhretin hala yapısal bütünlüğü olduğunu nasıl bileyim.

İlk kariyerimde kompozit ve yapıştırılmış malzemeler konusunda uzmanlaşmış bir bisikletçi ve mühendis olarak konuşuyorum. Delaminasyon riskine cevap, liflerin z (kalınlık) boyutunda da çalıştığı kompozit malzemelerde yatmaktadır. Bu, elyafların katmanları birbirine bağladığı / kilitlediği "örgü" elyaf yapıları yoluyla elde edilebilir - kuru elyaf "örgü" daha sonra enjekte edilen ve sertleştirilen bir kalıp ve sıvı reçine içinde tutulur. Bildiğim kadarıyla hiçbir üretici bu tekniği kullanmıyor (masraflı - askeri / havacılık bütçe türü şeyler). Önceden emprenye edilmiş elyaf yönteminin geleneksel yerleşimi ile devam ederler. Bazı üreticiler, bir bisiklet kasasında bir tüpten diğerine "elyafları bir araya getirmekten" bahsediyorlar ama bunun daha gelişmiş bir üretim tekniğinin katmanları boyunca "örgü" olduğunu sanmıyorum.

Aslında bütün detayları bilmiyorum ama Carbon Fiber'ın bazı yönlerde güçlü ve esnek olma eğiliminde olduğunu, diğerlerinde ise çok güçlü olmadığını biliyorum. Bu yüzden, bir çerçeve oluşturduğunuzda, tam olarak hizalayabilirsiniz, böylece çerçeve bükülür ve çerçevelerin çalışması gerektiği şekilde şokları emer, ancak yanlış baskı uygularsanız (örneğin, üzerine doğru çekin) somut bir eğri), çatlayabilir.

Ancak, belki de önceki sorumla açıkça ifade edildiği gibi, gerçekten emin değilim :)