Tại sao sợi carbon vốn đã yếu? Hoặc là nó?

Câu hỏi này khiến tôi phải suy nghĩ: Nếu tôi có thể sử dụng khung carbon, tôi sẽ làm được, nhưng chi phí và phong cách cưỡi ngựa khiến tôi sử dụng thép và nhôm. (Tôi thích kéo đồ lên giá đỡ và tôi không phải là một người gầy.)

Tôi đang tìm kiếm một lý do vật lý tại sao carbon là một vật liệu yếu, dễ vỡ, phù hợp với những chiếc xe đạp nhẹ sẽ được xử lý tinh tế. Hãy ghi nhớ, họ chế tạo máy bay từ những thứ này!

Có một số lý do sợi carbon phải được xử lý bằng găng tay trẻ em? Vật liệu chống lại ánh sáng và mạnh mẽ là gì? Hoặc, có lẽ, điểm yếu của carbon là một huyền thoại, và đó là tất cả theo cách mà các khung xe đạp carbon được xây dựng hiện nay?

Sợi carbon không nhất thiết là vật liệu "yếu" hay "dễ vỡ". Nếu bạn có một ống có cùng đường kính và độ dày của CF điển hình như ống khung thép điển hình, thì ống CF đó sẽ cực kỳ chắc chắn và bền.

Kim loại như thép và nhôm là vật liệu đẳng hướng. Điều đó có nghĩa là tính chất cơ học của chúng giống hệt nhau theo mọi hướng. Nếu bạn có một khối thép, nó sẽ phản ứng theo cùng một cách bất kể bạn kéo hay đẩy theo hướng nào.

Sợi carbon là một vật liệu tổng hợp. Nó bao gồm hàng tấn bó sợi nhỏ được giữ lại với nhau bằng epoxy.

Một khối thép, tốt, giống như thép, nhưng sợi carbon giống như một bó ống hút lớn được dán lại với nhau. Theo một hướng, nó cực kỳ mạnh, nhưng nếu bạn đẩy hoặc kéo sang một bên, nó sẽ sụp đổ. Trong một chiều mà nó mạnh, nó mạnh hơn thép rất nhiều. Tuy nhiên, theo các hướng khác, nó khá mỏng manh.

Vì vậy, các kỹ sư đã có thể khai thác các tính chất đó trong khung xe đạp. Trong một khung xe đạp, đại đa số các lực lượng chủ yếu dọc theo một chiều duy nhất. Chúng có thể làm cho ống mỏng hơn và nhẹ hơn nhưng vẫn giữ được độ cứng và độ cứng mong muốn.

Vì vậy, không có lý do cơ học nào mà bạn không thể chế tạo một chiếc xe đạp du lịch được nạp đầy đủ hoặc một cái gì đó giống như Salsa Fargo với khung carbon, và nó có thể khó khăn và bền bỉ như vậy. Và nó có lẽ sẽ nhẹ hơn khung thép hoặc nhôm. Nhưng lý do nó không được thực hiện là vì thị trường. Sợi carbon là một vật liệu đắt tiền và khó gia công, và tính chất cơ học của nó phù hợp nhất khi bạn yêu cầu các ứng dụng rất nhẹ.

Khi bạn chế tạo một chiếc xe đạp có khung bằng thép, khi bạn có các ống đủ mạnh dọc theo chiều dài của chúng, bởi vì tính chất đẳng hướng của thép, bạn có được sức mạnh bên cạnh miễn phí, sức mạnh để chống lại mọi thứ đập vào nó, chịu được sự cố, v.v.

Trong khung bằng sợi carbon, bạn không có được sức mạnh ở các kích thước khác trừ khi bạn chọn thiết kế nó. Trong xe đạp bằng sợi carbon, trong đó trọng lượng là mối quan tâm nghiêm trọng, quyết định kỹ thuật đã được đưa ra để không làm cho khung mạnh mẽ những khu vực đó. Họ có thể làm như vậy, nhưng họ chọn không làm vì nó không cần thiết cho mục đích xe đạp.

Khi bạn chế tạo một chiếc xe đạp tải nặng, bạn sẽ mất rất nhiều lợi thế của sợi carbon, và do đó việc sử dụng thép hoặc nhôm sẽ kinh tế hơn rất nhiều. Đặc biệt là khi ném một vài chai nước đầy trong pannier của bạn gần như vượt quá mức tiết kiệm trọng lượng.

Đầu tiên là từ chối trách nhiệm: hầu hết những gì tôi biết về chế tạo sợi carbon đến từ máy bay, không phải xe đạp. Cũng lưu ý rằng sợi carbon không phải là hỗn hợp duy nhất được sử dụng - chỉ với một thay thế, sợi Kevlar cũng có thể hữu ích (Kevlar mạnh hơn, nhưng cũng linh hoạt hơn carbon).

Sợi carbon là mạnh mẽ, nhưng không đáp ứng tốt với căng thẳng điểm . Điều này phần lớn là vì về cơ bản nó là vải (được dệt từ sợi carbon). Nếu bạn đặt nhiều căng thẳng tại một điểm, thì bạn chỉ gây căng thẳng cho một vài trong số các sợi carbon đó. Trong khi bản thân các sợi cực kỳ mạnh (đối với trọng lượng của chúng), liên kết giữ các sợi riêng lẻ với nhau yếu hơn nhiều. Để so sánh, hãy nghĩ về băng đóng gói có sợi sợi thủy tinh chạy dọc theo chiều dài của nó. Bản thân sợi thủy tinh thực sự rất chắc chắn, nhưng dải nhựa và "goo" giữ chúng lại với nhau yếu hơn rất nhiều. Mặc dù các chi tiết khác nhau, ý tưởng chung tương tự cũng áp dụng cho sợi carbon.

Sức mạnh chính xác phụ thuộc vào hướng là tốt. Như tôi đã nói ở trên, sợi carbon bắt đầu như một sợi cơ bản được dệt thành vải. Sau đó, vải được ngâm tẩm một số loại epoxy (loại epoxy chính xác được sử dụng thay đổi theo ứng dụng), được đặt trong khuôn, đóng gói chân không ¹ , sau đó nướng để làm cứng epoxy. Bạn có thể lấy vải theo nhiều kiểu dệt khác nhau, một số sợi có cùng số lượng sợi carbon chạy theo mỗi hướng, khác với (giả sử) 80% sợi carbon theo một hướng và chỉ 20% theo hướng khác. Theo phỏng đoán, hầu hết các CF được sử dụng trong khung xe đạp có lẽ ở đâu đó gần giống với loại thứ hai hơn, với hầu hết các sợi chạy dọc theo chiều dài của ống và ít chạy đáng kể quanh chu vi của ống.

Miễn là chúng ta ở đó: carbon cũng mạnh gấp đôi so với việc bị kéo căng khi bị nén. Thông thường bạn sẽ có khoảng gấp đôi số lượng plies trong đó chủ yếu chịu tải trọng nén.

¹ Đóng bao chân không có nghĩa là một túi nhựa lớn được đặt xung quanh khuôn và vải đặt, và không khí bị hút ra ngoài. Áp suất không khí ở bên ngoài giữ các lớp vải chặt với nhau để (cố gắng) đảm bảo rằng khi chúng được nướng, chúng hoạt động như một lớp duy nhất, không tách rời các lớp. Điều này ít ảnh hưởng đến sức mạnh khi bị kéo dài, nhưng ảnh hưởng rất lớn khi chịu nén hoặc uốn.

Sợi carbon là một vật liệu rất mạnh, nhưng giống như bất kỳ vật liệu nào, nó làm một số thứ tốt hơn những thứ khác. Từ Wikipedia :

Sợi carbon rất mạnh khi bị kéo căng hoặc uốn cong, nhưng yếu khi bị nén hoặc tiếp xúc với độ giật cao (ví dụ: thanh sợi carbon cực kỳ khó uốn cong, nhưng sẽ dễ bị nứt nếu bị đập bằng búa).

Xem xét rằng khung bằng sợi carbon có thể hỗ trợ trọng lượng của người lái cộng với tất cả các lực mà người lái thêm vào (có thể vượt quá nhiều lần trọng lượng cơ thể của họ), điều đó không có nghĩa là yếu. Tất cả điều này cho ít hơn trọng lượng của một khung nhôm hoặc thép tương đương.

Nhưng một số loại lực nhất định - như tác động mạnh - có thể làm hỏng sợi và epoxy làm suy yếu vật liệu, một thứ ít có khả năng với kim loại. Và một cái kẹp nhỏ có thể nghiền nát một ống CF, được cung cấp đủ lực (bạn có thể làm điều này với ống nhôm có thành mỏng nhưng phải mất nhiều công sức hơn).

Tôi nghĩ cũng đáng để chỉ ra rằng trong khi sợi carbon có thể được thiết lập để trở nên mạnh mẽ, thì nó hoàn toàn không dễ uốn, như thép hoặc (ở mức độ thấp hơn). Bạn có thể đặt một vết lõm có kích thước khá tốt trong khung kim loại và vẫn lái nó về nhà, nhưng nếu bạn đặt một vết lõm bằng sợi carbon, bạn có thể đã làm tổn thương toàn bộ ống đến mức có lẽ bạn không nên đi trên nó. Nó chỉ dễ vỡ hơn rất nhiều, vì vậy biến dạng có nghĩa là bị phá vỡ, trong đó trong kim loại, nó thường có nghĩa là một cái gì đó bị kéo dài hoặc nén, tương đối ít làm tổn hại đến tính toàn vẹn cấu trúc.

Đến bữa tiệc muộn nhưng đây là lý do của tôi: Như đã nói ở trên, một phương pháp sản xuất phổ biến của khung CF liên quan đến việc "dựng lên" nhiều lớp sợi tẩm nhựa có định hướng khác nhau để tối ưu hóa các đặc tính cường độ theo tải trọng dự kiến ​​và hiệu suất cần thiết của khung (ví dụ cứng nhắc so với dẻo dai / uốn cong). Theo nghĩa này, CF có thể được điều chỉnh chính xác hơn cho một tập hợp các yêu cầu cho trọng lượng nhẹ nhất. Như mọi vấn đề kỹ thuật đều có sự thỏa hiệp. Mỗi lớp về cơ bản là hai chiều (nghĩ trục x và y cho một tấm phẳng), chiều thứ ba, độ dày (trục z) chỉ là sự tích lũy của các lớp sợi nhưng không có bất kỳ cường độ sợi nào, chỉ có cường độ từ ma trận nhựa giữ tất cả các sợi với nhau. Vì vậy, thông qua độ dày của vật liệu mà cấu trúc hỗn hợp CF là yếu nhất. Và một chế độ thất bại phổ biến được gọi là phân tách (liên kết giữa các lớp không thành công). Điều này có thể xảy ra từ một cú đánh vào bề mặt và bất kỳ sự phân tách nào trong các lớp sẽ không thể nhìn thấy được bên ngoài. Chỉ quét mới có thể phát hiện mức độ thiệt hại - phương pháp công nghệ thấp liên quan đến việc chạm vào bề mặt và lắng nghe bất kỳ thay đổi nào về âm của vòi - nó đòi hỏi một đôi tai được đào tạo và ít rõ ràng hơn đối với giáo dân để phân biệt giữa thay đổi âm điệu do sự phân tách so với sự thay đổi trong layup bên dưới (các lớp ngoài gần tham gia, v.v ...). Điều này có thể xảy ra từ một cú đánh vào bề mặt và bất kỳ sự phân tách nào trong các lớp sẽ không thể nhìn thấy được bên ngoài. Chỉ quét mới có thể phát hiện mức độ thiệt hại - phương pháp công nghệ thấp liên quan đến việc chạm vào bề mặt và lắng nghe bất kỳ thay đổi nào về âm của vòi - nó đòi hỏi một đôi tai được đào tạo và ít rõ ràng hơn đối với giáo dân để phân biệt giữa thay đổi âm điệu do sự phân tách so với sự thay đổi trong layup bên dưới (các lớp ngoài gần tham gia, v.v ...). Điều này có thể xảy ra từ một cú đánh vào bề mặt và bất kỳ sự phân tách nào trong các lớp sẽ không thể nhìn thấy được bên ngoài. Chỉ quét mới có thể phát hiện mức độ thiệt hại - phương pháp công nghệ thấp liên quan đến việc chạm vào bề mặt và lắng nghe bất kỳ thay đổi nào về âm của vòi - nó đòi hỏi một đôi tai được đào tạo và ít rõ ràng hơn đối với giáo dân để phân biệt giữa thay đổi âm điệu do sự phân tách so với sự thay đổi trong layup bên dưới (các lớp ngoài gần tham gia, v.v ...).

Sự phân tán là điểm yếu của khung CF và tại sao, theo tôi, chúng có thể được mô tả là "mạnh" nhưng KHÔNG "cứng rắn" hoặc "có khả năng chống chịu thiệt hại". Vì bất kỳ tiếng nổ cũ nào cũng có thể gây nguy hiểm cho sức mạnh của khung hình và dẫn đến một thất bại thảm khốc bất ngờ. Mặt khác, kim loại dần dần sinh ra khi quá tải - do đó, sự cố bất ngờ (nếu được thiết kế chính xác) ít có khả năng xảy ra.

Vì vậy, câu hỏi lớn đối với tôi luôn là - nếu tôi đâm phải một chiếc xe đạp CF thì làm sao tôi biết rằng sự nổi tiếng vẫn có sự toàn vẹn về cấu trúc.

Tôi nói như một người đi xe đạp và kỹ sư chuyên về sự nghiệp đầu tiên của tôi trong vật liệu composite và ngoại quan. Câu trả lời cho nguy cơ phân tách nằm ở vật liệu composite nơi sợi cũng chạy theo kích thước z (độ dày). Điều này có thể được thực hiện thông qua các cấu trúc sợi "dệt kim" trong đó các sợi liên kết / khóa các lớp lại với nhau - sợi "đan" khô sau đó được giữ trong khuôn và nhựa lỏng được tiêm và xử lý. Theo như tôi biết thì chưa có nhà sản xuất nào sử dụng kỹ thuật này (tốn kém - công cụ loại ngân sách quân sự / hàng không vũ trụ). Họ tiếp tục với cách bố trí truyền thống của phương pháp sợi đã ngâm tẩm. Một số nhà sản xuất nói về "dệt các sợi với nhau" từ ống này sang ống khác trong khung xe đạp nhưng tôi không nghĩ đây là "đan" qua các lớp của kỹ thuật sản xuất tiên tiến hơn.

Tôi thực sự không biết chi tiết đầy đủ, nhưng tôi biết Carbon Fiber có xu hướng mạnh mẽ và linh hoạt theo một số hướng, và không mạnh mẽ ở những hướng khác. Vì vậy, khi bạn xây dựng một khung từ nó, bạn có thể căn chỉnh nó vừa phải sao cho khung bị uốn cong và hấp thụ chấn động theo cách các khung được cho là hoạt động, nhưng nếu bạn áp dụng sai áp lực cho nó (giả sử, thả nó sang một bên một đường cong bê tông), nó có thể bị nứt.

Nhưng, như có lẽ đã được làm rõ bởi câu hỏi trước đây của tôi , tôi thực sự không chắc chắn :)