ทำไมคาร์บอนไฟเบอร์ถึงมีความอ่อนแอโดยกำเนิด? หรือมันคืออะไร?

คำถามนี้ทำให้ฉันคิดว่า: ถ้าเป็นไปได้สำหรับฉันที่จะใช้เฟรมคาร์บอนฉันจะ แต่ค่าใช้จ่ายและสไตล์การขี่ของฉันทำให้ฉันใช้เหล็กและอลูมิเนียม (ฉันชอบลากสิ่งของบนชั้นวางและฉันไม่ใช่คนผอม)

ฉันกำลังมองหาเหตุผลทางกายภาพว่าทำไมคาร์บอนจึงเป็นวัสดุที่อ่อนแอและเปราะบางเหมาะสำหรับจักรยานขนาดเล็กที่จะได้รับการปฏิบัติอย่างประณีต โปรดจำไว้ว่าพวกเขาทำเครื่องบินจากสิ่งนี้!

มีเหตุผลบางประการที่ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์ต้องใช้ถุงมือเด็กหรือไม่? เกี่ยวกับวัสดุที่ต่อต้านการเป็นเบาและแข็งแรงคืออะไร? หรือบางทีอาจเป็นจุดอ่อนของคาร์บอนในตำนานและทุกอย่างก็เป็นไปตามที่เฟรมจักรยานคาร์บอนถูกสร้างขึ้นในปัจจุบัน?

คาร์บอนไฟเบอร์ไม่จำเป็นต้องเป็นวัสดุ "อ่อนแอ" หรือ "เปราะบาง" หากคุณมีท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความหนาเท่ากันของ CF ทั่วไปเหมือนกับท่อเฟรมเหล็กทั่วไปหลอด CF นั้นจะแข็งแรงและทนทานเป็นอย่างยิ่ง

โลหะเช่นเหล็กและอลูมิเนียมเป็นวัสดุแบบไอโซโทรปิก นั่นหมายถึงสมบัติเชิงกลของพวกมันเหมือนกันทุกทิศทาง หากคุณมีก้อนเหล็กมันจะตอบสนองในลักษณะเดียวกันโดยไม่คำนึงถึงทิศทางที่คุณดึงหรือดัน

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุคอมโพสิต มันประกอบไปด้วยเส้นใยมัดเล็ก ๆ จำนวนหนึ่งที่ถูกมัดรวมกับอีพอกซี

บล็อกของเหล็กก็เหมือนเหล็ก แต่คาร์บอนไฟเบอร์ก็เหมือนมัดฟางขนาดใหญ่ติดกัน ในทิศทางเดียวมันมีความแข็งแรงมาก แต่ถ้าคุณดันหรือดึงไปด้านข้างมันจะยุบ ในมิติหนึ่งที่มีความแข็งแกร่งมันแข็งแกร่งกว่าเหล็กอย่างมากมาย อย่างไรก็ตามในทิศทางอื่นมันค่อนข้างบอบบาง

ดังนั้นวิศวกรสามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเหล่านี้ในเฟรมจักรยานได้ ในเฟรมจักรยานกองกำลังส่วนใหญ่ที่กว้างใหญ่นั้นมีอยู่ในมิติเดียว พวกเขาสามารถทำให้หลอดบางลงและเบาขึ้น แต่ยังคงไว้ซึ่งความแข็งแกร่งและความแข็งที่ต้องการ

ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลเชิงกลที่คุณไม่สามารถสร้างจักรยานทัวร์ท้องถิ่นที่เต็มไปด้วยอะไรหรืออะไรอย่าง Salsa Fargo ที่มีโครงคาร์บอนและมันก็อาจจะทนทานและทนทาน และมันอาจจะเบากว่าโครงเหล็กหรืออลูมิเนียม แต่เหตุผลที่ไม่ได้ทำก็เพราะตลาด คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่มีราคาแพงและใช้งานได้ยากและคุณสมบัติเชิงกลของมันจะเหมาะที่สุดเมื่อคุณต้องการใช้งานที่มีน้ำหนักเบามาก

เมื่อคุณสร้างจักรยานที่มีโครงเหล็กเมื่อคุณได้รับท่อที่แข็งแกร่งเพียงพอตามความยาวนั่นเป็นเพราะคุณสมบัติ isotropic ของเหล็กคุณจะได้รับความแข็งแรงด้านข้างได้ฟรี

ในเฟรมคาร์บอนไฟเบอร์คุณจะไม่ได้ความแข็งแกร่งในมิติอื่นเว้นแต่ว่าคุณเลือกที่จะออกแบบมันในจักรยานคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีน้ำหนักเป็นเรื่องที่สำคัญอย่างยิ่งการตัดสินใจทางวิศวกรรมก็ไม่ได้ทำให้เฟรมแข็งแกร่ง พื้นที่เหล่านั้น พวกเขาสามารถทำได้ แต่พวกเขาเลือกที่จะไม่ทำเพราะมันไม่จำเป็นสำหรับวัตถุประสงค์ของจักรยาน

เมื่อคุณสร้างจักรยานที่มีน้ำหนักมากคุณจะสูญเสียความได้เปรียบของเส้นใยคาร์บอนจำนวนมากดังนั้นมันจะประหยัดกว่าหากใช้เหล็กหรืออลูมิเนียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขว้างขวดน้ำใส่คู่ใน pannier ของคุณเกือบจะเกินการประหยัดน้ำหนัก

ข้อแรกข้อจำกัดความรับผิดชอบ: สิ่งที่ฉันรู้มากที่สุดเกี่ยวกับการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มาจากเครื่องบินไม่ใช่จักรยาน โปรดทราบว่าคาร์บอนไฟเบอร์ไม่ได้เป็นคอมโพสิตเท่านั้นที่นำมาใช้ - สำหรับทางเลือกเดียวเส้นใยเคฟลาร์ก็มีประโยชน์เช่นกัน (เคฟลาร์แข็งแกร่งกว่า แต่มีความยืดหยุ่นมากกว่าคาร์บอน)

คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรง แต่ไม่ตอบสนองต่อความเครียดได้ดี ส่วนใหญ่เป็นเพราะมันเป็นผ้า (ทอจากเส้นใยคาร์บอน) หากคุณมีความเครียดมากในจุดเดียวคุณจะสร้างความเครียดให้กับเส้นใยคาร์บอนเพียงไม่กี่ตัว ในขณะที่เส้นใยของตัวเองมีความแข็งแรงมาก (สำหรับน้ำหนักของพวกเขา) การยึดเกาะเส้นใยแต่ละอย่างเข้าด้วยกันนั้นมีความอ่อนแอ สำหรับการเปรียบเทียบลองนึกถึงเทปบรรจุภัณฑ์ที่มีเส้นใยไฟเบอร์กลาสวิ่งไปตามความยาว ไฟเบอร์กลาสนั้นแข็งแกร่งมาก แต่แถบพลาสติกและ "สารที่หนา" จับมันเข้าด้วยกันนั้นอ่อนแอกว่ามาก แม้ว่ารายละเอียดจะแตกต่างกัน แต่ความคิดทั่วไปก็เช่นเดียวกันกับคาร์บอนไฟเบอร์เช่นกัน

ความแข็งแรงที่แน่นอนขึ้นอยู่กับทิศทางเช่นกัน อย่างที่ฉันได้กล่าวไปแล้วว่าคาร์บอนไฟเบอร์เริ่มต้นจากการเป็นเส้นใยที่ถักทอเป็นผ้า ผ้าจะถูกชุบด้วยอีพ็อกซี่บางชนิด (อีพ็อกซี่ที่แน่นอนใช้แตกต่างกันไปตามแอพพลิเคชั่น), วางในแม่พิมพ์, ถุงสูญญากาศ¹ , จากนั้นอบเพื่อทำให้อีพ็อกซี่แข็งตัว คุณสามารถนำผ้ามาสานได้หลายแบบบางแบบที่มีปริมาณคาร์บอนไฟเบอร์เท่ากันวิ่งไปในแต่ละทิศทางส่วนอีกอันมีคาร์บอนไฟเบอร์ 80% ในทิศทางเดียวและอีก 20% เท่านั้น คาดเดาว่า CF ส่วนใหญ่ที่ใช้ในเฟรมจักรยานน่าจะอยู่ที่ไหนสักแห่งใกล้กับสายพันธุ์หลังโดยมีเธรดส่วนใหญ่วิ่งไปตามความยาวของหลอดและวิ่งน้อยลงรอบ ๆ ท่อ

ตราบใดที่เรายังอยู่: คาร์บอนก็มีความแข็งแรงกว่าสองเท่าเมื่อเทียบกับการถูกบีบอัด โดยทั่วไปแล้วคุณจะมีพลัมมากเป็นสองเท่าโดยที่มันจะถูกบีบอัดเป็นหลัก

^{1 การ}บรรจุถุงสุญญากาศหมายถึงถุงพลาสติกขนาดใหญ่วางอยู่รอบ ๆ ราและผ้าที่วางไว้และอากาศจะถูกดูดออกมา ความกดอากาศด้านนอกช่วยให้ชั้นของผ้าแน่นเข้าด้วยกันเพื่อให้แน่ใจว่าเมื่อพวกเขาอบมันจะทำหน้าที่เป็นชั้นเดียวไม่ใช่ชั้นที่แยกจากกัน สิ่งนี้มีผลเพียงเล็กน้อยต่อความแข็งแรงเมื่ออยู่ภายใต้การยืด แต่ก็มีผลอย่างมากเมื่อถูกบีบอัดหรือโค้งงอ

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่แข็งแรงมาก แต่ก็เหมือนกับวัสดุอื่น ๆ มันทำอะไรได้ดีกว่าวัสดุอื่น จากวิกิพีเดีย :

คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงมากเมื่อยืดหรือโค้งงอ แต่อ่อนแอเมื่อถูกบีบอัดหรือสัมผัสกับแรงกระแทกสูง (เช่นแท่งคาร์บอนไฟเบอร์นั้นยากต่อการโค้งงออย่างมาก แต่จะแตกได้ง่ายหากโดนค้อน)

เมื่อพิจารณาว่าเฟรมคาร์บอนไฟเบอร์สามารถรองรับน้ำหนักของผู้ขับขี่รวมทั้งแรงทั้งหมดที่ผู้ขับขี่เพิ่ม (ซึ่งเกินกว่าน้ำหนักตัวของร่างกายหลายเท่า) มันไม่ได้อ่อนแอ ทั้งหมดนี้น้อยกว่าน้ำหนักของเฟรมอลูมิเนียมหรือเหล็กที่เทียบเคียงกันได้

แต่กองกำลังบางประเภท - เช่นการกระแทกที่คมชัด - สามารถทำลายเส้นใยและอิพ็อกซีที่ทำให้วัสดุอ่อนตัวลงซึ่งเป็นสิ่งที่มีโอกาสน้อยกว่าด้วยโลหะ และที่หนีบขนาดเล็กสามารถบดขยี้หลอด CF ได้ด้วยแรงที่มากพอ (คุณสามารถทำได้ด้วยท่ออลูมิเนียมที่มีผนังบาง แต่ก็ต้องใช้ความพยายามมากขึ้น)

ฉันคิดว่ามันก็คุ้มค่าที่จะชี้ให้เห็นว่าในขณะที่คาร์บอนไฟเบอร์สามารถวางให้มีความแข็งแรงได้มาก แต่ก็ไม่ได้มีความเหนียวเหมือนเหล็กหรืออลูมิเนียม (เท่าที่น้อยกว่า) คุณสามารถใส่ตัวบุ๋มขนาดค่อนข้างดีไว้ในกรอบโลหะและยังคงขี่กลับบ้านได้ แต่ถ้าคุณใส่บุ๋มในคาร์บอนไฟเบอร์คุณอาจจะประนีประนอมหลอดทั้งหมดจนถึงจุดที่ไม่ควรขี่ มันเปราะบางกว่ามากดังนั้นการเสียรูปหมายถึงการแตกหักซึ่งโดยทั่วไปในโลหะจะหมายถึงบางสิ่งที่ยืดหรือหดตัวซึ่งเทียบได้น้อยกว่าเพื่อทำลายความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

สายไปงานปาร์ตี้ แต่นี่คือสิ่งที่ฉันต้องการ: ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นวิธีการผลิตทั่วไปของเฟรม CF เกี่ยวข้องกับ "laying-up" หลายชั้นของเรซิ่นที่เคลือบด้วยเส้นใยที่มีทิศทางแตกต่างกันเพื่อปรับคุณสมบัติด้านความแข็งแรงตามโหลดที่ต้องการ ของเฟรม (เช่นแข็งเทียบกับอ่อนนุ่ม / ยืดหยุ่น) ในแง่นี้ CF อาจปรับให้เข้ากับชุดของข้อกำหนดสำหรับน้ำหนักที่เบาที่สุด เช่นเดียวกับปัญหาทางวิศวกรรมทุกประเภท แต่ละชั้นจะเป็นสองมิติ (คิดว่าแกน x และ y สำหรับแผ่นแบน), มิติที่สาม, ความหนา (คิดว่าแกน z) เป็นเพียงการสะสมของชั้นของเส้นใย แต่ไม่มีความแข็งแรงของเส้นใยใด ๆ ต่อ se เท่านั้นความแข็งแรงจาก เรซิ่นเมทริกซ์ที่เก็บเส้นใยทั้งหมดเข้าด้วยกัน ดังนั้นจึงผ่านความหนาของวัสดุที่โครงสร้างคอมโพสิต CF อ่อนแอที่สุด และโหมดทั่วไปของความล้มเหลวเรียกว่าการแยก (ความผูกพันระหว่างเลเยอร์ล้มเหลว) สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้จากการระเบิดไปยังพื้นผิวและการปนเปื้อนใด ๆ ภายในเลเยอร์จะไม่ปรากฏให้เห็นภายนอก เฉพาะการสแกนเท่านั้นที่สามารถตรวจสอบขอบเขตของความเสียหายใด ๆ - วิธีการที่ใช้เทคโนโลยีต่ำเกี่ยวข้องกับการแตะที่พื้นผิวและรับฟังการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในโทนของก๊อกน้ำ - มันต้องใช้หูที่ผ่านการฝึกอบรมและไม่ชัดเจนสำหรับคนธรรมดา เนื่องจากการ delamination เมื่อเทียบกับพูดว่าการเปลี่ยนแปลงใน layup พื้นฐาน (ชั้น extr ใกล้รวม ฯลฯ ... ) สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้จากการระเบิดไปยังพื้นผิวและการปนเปื้อนใด ๆ ภายในเลเยอร์จะไม่ปรากฏให้เห็นภายนอก เฉพาะการสแกนเท่านั้นที่สามารถตรวจสอบขอบเขตของความเสียหายใด ๆ - วิธีการที่ใช้เทคโนโลยีต่ำเกี่ยวข้องกับการแตะที่พื้นผิวและรับฟังการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในโทนของก๊อกน้ำ - มันต้องใช้หูที่ผ่านการฝึกอบรมและไม่ชัดเจนสำหรับคนธรรมดา เนื่องจากการ delamination เมื่อเทียบกับพูดว่าการเปลี่ยนแปลงใน layup พื้นฐาน (ชั้น extr ใกล้รวม ฯลฯ ... ) สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้จากการระเบิดไปยังพื้นผิวและการปนเปื้อนใด ๆ ภายในเลเยอร์จะไม่ปรากฏให้เห็นภายนอก เฉพาะการสแกนเท่านั้นที่สามารถตรวจสอบขอบเขตของความเสียหายใด ๆ - วิธีการที่ใช้เทคโนโลยีต่ำเกี่ยวข้องกับการแตะที่พื้นผิวและรับฟังการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในโทนของก๊อกน้ำ - มันต้องใช้หูที่ผ่านการฝึกอบรมและไม่ชัดเจนสำหรับคนธรรมดา เนื่องจากการ delamination เมื่อเทียบกับพูดว่าการเปลี่ยนแปลงใน layup พื้นฐาน (ชั้น extr ใกล้รวม ฯลฯ ... )

การเคลือบเป็นจุดอ่อนของเฟรม CF และทำไมในความคิดของฉันพวกเขาอาจถูกอธิบายว่า "แข็งแกร่ง" แต่ไม่ใช่ "ยาก" หรือ "ยืดหยุ่นต่อความเสียหาย" เนื่องจากบางปังเก่าอาจเป็นอันตรายต่อความแข็งแรงของเฟรมและนำไปสู่ความล้มเหลวอย่างฉับพลันที่ไม่คาดคิด ในทางกลับกันโลหะจะค่อยๆให้ผลผลิตมากเกินไปเมื่อเกิดความผิดพลาดฉับพลัน (หากออกแบบมาอย่างถูกต้อง) มีโอกาสเกิดขึ้นน้อยกว่า

ดังนั้นคำถามใหญ่สำหรับฉันคือเสมอ - ถ้าฉันชนจักรยาน CF ฉันจะรู้ได้อย่างไรว่าชื่อเสียงยังมีความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

ฉันพูดในฐานะนักปั่นจักรยานและวิศวกรที่มีความเชี่ยวชาญในอาชีพช่วงแรก ๆ ของฉันในด้านวัสดุประกอบและวัสดุที่ถูกผูกมัด คำตอบของความเสี่ยงต่อการหลุดออกมานั้นอยู่ในวัสดุคอมโพสิตซึ่งเส้นใยยังทำงานในมิติ z (ความหนา) สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นได้จากโครงสร้างเส้นใย "ถัก" ซึ่งเส้นใยเชื่อมโยง / ล็อคเลเยอร์เข้าด้วยกัน - จากนั้นเส้นใยแห้ง "ถัก" จะถูกเก็บไว้ในแม่พิมพ์และเรซินเหลวฉีดและรักษาให้หายขาด เท่าที่ฉันทราบผู้ผลิตยังไม่ได้ใช้เทคนิคนี้ (แพง - สิ่งที่ประเภทงบประมาณทหาร / อวกาศ) พวกเขายังคงใช้วิธีการเตรียมเส้นใยแบบดั้งเดิมที่เตรียมไว้ก่อนแล้ว ผู้ผลิตบางรายพูดถึง "การทอเส้นใยด้วยกัน" จากหลอดหนึ่งไปอีกหลอดหนึ่งในเฟรมจักรยาน แต่ฉันไม่คิดว่านี่คือ "การถัก" ผ่านชั้นของเทคนิคการผลิตขั้นสูง

จริง ๆ แล้วฉันไม่ทราบรายละเอียดทั้งหมด แต่ฉันรู้ว่าคาร์บอนไฟเบอร์มีแนวโน้มที่จะแข็งแกร่งและยืดหยุ่นในบางทิศทางและไม่แข็งแกร่งมากในผู้อื่น ดังนั้นเมื่อคุณสร้างเฟรมออกมาคุณสามารถจัดตำแหน่งให้ถูกต้องเพื่อให้เฟรมงอและดูดซับแรงกระแทกในวิธีที่เฟรมควรทำงาน แต่ถ้าคุณใช้แรงกดผิด (ให้วางลงไปด้านข้าง เส้นโค้งคอนกรีต) มันอาจแตกได้

แต่อย่างที่ทราบกันดีในคำถามก่อนหน้านี้ฉันไม่แน่ใจ :)