Perché la fibra di carbonio è intrinsecamente debole? O è?

Questa domanda mi ha portato a pensare: se fosse possibile per me utilizzare un telaio in carbonio, lo farei, ma la spesa e il mio stile di guida mi fanno rimanere in acciaio e alluminio. (Mi piace trasportare roba sugli scaffali e non sono un ragazzo magro.)

Sto cercando un motivo fisico per cui il carbonio è un materiale debole, fragile, adatto a bici leggere che saranno trattate delicatamente. Tenete a mente, fanno aeroplani da questa roba!

C'è qualche motivo per cui la fibra di carbonio deve essere trattata con guanti per bambini? Cosa c'è nel materiale che resiste all'essere leggero e forte? O, forse, la debolezza del carbonio è un mito, ed è tutto nel modo in cui i telai per bici in carbonio sono attualmente costruiti?

La fibra di carbonio non è necessariamente un materiale "debole" o "fragile". Se avessi un tubo dello stesso diametro e spessore del tipico CF di un tipico tubo con telaio in acciaio, quel tubo CF sarebbe estremamente forte e durevole.

Metalli come acciaio e alluminio sono materiali isotropi. Ciò significa che le loro proprietà meccaniche sono identiche in tutte le direzioni. Se hai un cubo di acciaio, risponderà allo stesso modo indipendentemente dalla direzione in cui lo tiri o lo spingi.

La fibra di carbonio è un materiale composito. Consiste in tonnellate di piccoli fasci di fibre tenuti insieme da una resina epossidica.

Un blocco di acciaio è come l'acciaio, ma la fibra di carbonio è come un grosso fascio di cannucce incollate insieme. In una direzione, è estremamente forte, ma se spingi o tiri di lato, collasserà. In quella dimensione dove è forte, è molto più forte dell'acciaio. Tuttavia, in altre direzioni è piuttosto fragile.

Quindi, gli ingegneri sono stati in grado di sfruttare quelle proprietà nei telai delle biciclette. Nel telaio di una bicicletta, la stragrande maggioranza delle forze si trova principalmente in un'unica dimensione. Possono rendere i tubi più sottili e leggeri, mantenendo comunque la resistenza e la rigidità desiderate.

Quindi, non vi è alcun motivo meccanico per cui non si possa costruire una bici da turismo a pieno carico o qualcosa come una Salsa Fargo con un telaio in carbonio, e potrebbe essere altrettanto resistente e durevole. E sarebbe probabilmente più leggero di un telaio in acciaio o alluminio. Ma il motivo per cui non è stato fatto è a causa del mercato. La fibra di carbonio è un materiale costoso e difficile da lavorare e le sue proprietà meccaniche sono più adatte per applicazioni molto leggere.

Quando costruisci una bici con telaio in acciaio, quando ottieni i tubi sufficientemente forti lungo la loro lunghezza, che a causa delle proprietà isotropiche degli acciai, ottieni la forza laterale gratuitamente, la forza per resistere alle cose che vi si urtano, resistendo agli urti, ecc.

In un telaio in fibra di carbonio, non si ottiene la forza nelle altre dimensioni a meno che non si scelga di progettarlo. Nelle biciclette in fibra di carbonio, dove il peso è una preoccupazione seria, è stata presa la decisione ingegneristica di non rendere forti i telai in quelle aree. Potrebbero farlo, ma scelgono di non farlo perché non è necessario per lo scopo previsto delle biciclette.

Quando costruisci una bici pesante, perdi molti vantaggi delle fibre di carbonio, e quindi sarebbe molto più economico usare acciaio o alluminio. Soprattutto quando si lanciano un paio di bottiglie d'acqua riempite nella tua valigia quasi supera il risparmio di peso.

Innanzitutto un disclaimer: la maggior parte di ciò che so sulla fabbricazione di fibre di carbonio proviene da aerei, non da biciclette. Si noti inoltre che la fibra di carbonio non è l'unico composito utilizzato - solo per un'alternativa, possono essere utili anche le fibre di kevlar (il kevlar è più forte, ma anche più flessibile del carbonio).

La fibra di carbonio è resistente, ma non risponde bene alle sollecitazioni puntuali . Ciò è in gran parte dovuto al fatto che è sostanzialmente un tessuto (tessuto con fibre di carbonio). Se sottoponi molte sollecitazioni in un singolo punto, le solleciti solo su alcune di quelle fibre di carbonio. Mentre le fibre stesse sono estremamente forti (per il loro peso), il legame che tiene insieme le singole fibre è molto più debole. Per fare un confronto, pensa al nastro da imballaggio che ha fibre di fibra di vetro che corre lungo la sua lunghezza. La stessa fibra di vetro è davvero resistente, ma la striscia di plastica e il "goo" che le tengono insieme sono molto più deboli. Sebbene i dettagli differiscano, la stessa idea generale si applica anche alla fibra di carbonio.

La forza esatta dipende anche dalla direzione. Come ho detto sopra, la fibra di carbonio inizia come un filo sostanzialmente intrecciato in tessuto. Il tessuto viene quindi impregnato con una sorta di resina epossidica (l'esatta resina epossidica utilizzata varia in base all'applicazione), stesa in uno stampo, imbustata sottovuoto ¹ , quindi cotta per indurire la resina epossidica. Puoi ottenere il tessuto in varie trame diverse, alcune con la stessa quantità di fibra di carbonio che scorre in ciascuna direzione, altre con (diciamo) l'80% della fibra di carbonio in una direzione e solo il 20% nell'altra direzione. Probabilmente, la maggior parte del CF utilizzato in un telaio per bici è probabilmente da qualche parte più vicino a quest'ultima varietà, con la maggior parte dei fili che corre lungo la lunghezza di un tubo e considerevolmente meno che corre attorno alla circonferenza del tubo.

Finché ci siamo: anche il carbonio è circa il doppio rispetto all'allungamento rispetto alla compressione. In genere avrai circa il doppio degli strati in cui è principalmente sottoposto a un carico di compressione.

¹ Insaccatura sottovuoto significa che un grande sacchetto di plastica viene posizionato attorno allo stampo e al panno steso e l'aria viene aspirata. La pressione dell'aria all'esterno tiene stretti gli strati di stoffa per (cercare di) assicurare che quando sono cotti, agiscono come un singolo strato, non come strati separati. Ciò ha scarso effetto sulla forza quando viene sottoposto ad allungamento, ma un effetto enorme quando sottoposto a compressione o flessione.

La fibra di carbonio è un materiale molto resistente, ma come qualsiasi materiale fa alcune cose meglio di altre. Da Wikipedia :

La fibra di carbonio è molto forte quando viene allungata o piegata, ma debole quando viene compressa o esposta a forti urti (ad esempio una barra in fibra di carbonio è estremamente difficile da piegare, ma si spezzerà facilmente se colpita con un martello).

Considerando che un telaio in fibra di carbonio può sostenere il peso di un ciclista più tutte le forze che un ciclista aggiunge (che può superare diverse volte il suo peso corporeo) non è affatto debole. Tutto questo per un peso inferiore a un telaio in alluminio o acciaio comparabile.

Ma alcuni tipi di forze - come gli impatti acuti - possono danneggiare le fibre e indebolire la resina epossidica, cosa che è meno probabile con un metallo. E un piccolo morsetto può schiacciare un tubo CF, data la forza sufficiente (puoi farlo anche con tubi di alluminio a pareti sottili ma richiede più sforzo).

Penso che valga anche la pena sottolineare che mentre la fibra di carbonio può essere posizionata per essere molto resistente, non è affatto duttile, come l'acciaio o (in misura minore) l'alluminio. Puoi mettere un'ammaccatura di dimensioni piuttosto buone in un telaio di metallo e continuare a guidare a casa, ma se metti un'ammaccatura in fibra di carbonio, probabilmente avrai compromesso l'intero tubo al punto che probabilmente non dovresti cavalcarlo. È solo molto più fragile, quindi la deformazione significa rompere, dove nei metalli di solito significa qualcosa di allungato o compresso, il che fa relativamente meno per danneggiare l'integrità strutturale.

Un po 'tardi alla festa, ma ecco i miei successi: come notato sopra, un metodo di produzione comune di telai CF prevede la "posa" di più strati di fibre impregnate di resina con orientamenti diversi per ottimizzare le caratteristiche di resistenza in base ai carichi previsti e alle prestazioni richieste del telaio (ad es. rigido vs flessibile / flessibile). In questo senso, la CF può essere adattata in modo più preciso a una serie di requisiti per il peso più leggero. Come per ogni problema di ingegneria, ci sono compromessi. Ogni strato è essenzialmente bidimensionale (pensa all'asse xey per un foglio piatto), la terza dimensione, lo spessore (pensa all'asse z) è solo l'accumulo di strati di fibre ma non ha alcuna resistenza della fibra in sé, solo la resistenza dal matrice in resina che tiene insieme tutte le fibre. È quindi attraverso lo spessore del materiale che le strutture composite CF sono più deboli. E un modo comune di fallimento è noto come delaminazione (il legame tra gli strati fallisce). Ciò può accadere da un colpo alla superficie e qualsiasi delaminazione all'interno degli strati non sarà visibile esternamente. Solo le scansioni sono in grado di rilevare l'entità di eventuali danni - il metodo a bassa tecnologia prevede di toccare la superficie e ascoltare eventuali cambiamenti nel tono dei tocchi - richiede un orecchio allenato ed è meno ovvio per il profano distinguere tra un cambiamento di tono a causa di una delaminazione rispetto a dire un cambiamento nel layup sottostante (strati extra vicino join ecc ...). Ciò può accadere da un colpo alla superficie e qualsiasi delaminazione all'interno degli strati non sarà visibile esternamente. Solo le scansioni sono in grado di rilevare l'entità di eventuali danni - il metodo a bassa tecnologia prevede di toccare la superficie e ascoltare eventuali cambiamenti nel tono dei tocchi - richiede un orecchio allenato ed è meno ovvio per il profano distinguere tra un cambiamento di tono a causa di una delaminazione rispetto a dire un cambiamento nel layup sottostante (strati extra vicino join ecc ...). Ciò può accadere da un colpo alla superficie e qualsiasi delaminazione all'interno degli strati non sarà visibile esternamente. Solo le scansioni sono in grado di rilevare l'entità di eventuali danni - il metodo a bassa tecnologia prevede di toccare la superficie e ascoltare eventuali cambiamenti nel tono dei tocchi - richiede un orecchio allenato ed è meno ovvio per il profano distinguere tra un cambiamento di tono a causa di una delaminazione rispetto a dire un cambiamento nel layup sottostante (strati extra vicino join ecc ...).

La delaminazione è il punto debole dei frame CF e perché, secondo me, possono essere descritti come "forti" ma NON "duri" o "resistenti ai danni". Poiché qualsiasi vecchio botto potrebbe mettere a repentaglio la forza del telaio e portare ad un improvviso fallimento catastrofico improvviso. D'altra parte, il metallo cede gradualmente quando è sovraccarico, quindi è meno probabile che si verifichino guasti improvvisi (se progettati correttamente).

Quindi la grande domanda per me è sempre stata: se avrò un incidente con una bici CF, come faccio a sapere che la fama ha ancora integrità strutturale.

Parlo come ciclista e ingegnere specializzato nella mia prima carriera in materiali compositi e incollati. La risposta al rischio di delaminazione risiede nei materiali compositi in cui le fibre corrono anche nella dimensione z (spessore). Ciò può essere ottenuto attraverso strutture di fibra "a maglia" in cui le fibre collegano / bloccano gli strati insieme - la fibra a maglia "maglia" viene quindi trattenuta in uno stampo e la resina liquida viene iniettata e polimerizzata. Per quanto ne so, nessun produttore utilizza ancora questa tecnica (costosa - roba di tipo budget militare / aerospaziale). Continuano con il tradizionale lay-up del metodo delle fibre preimpregnate. Alcuni produttori parlano di "intrecciare le fibre" da un tubo all'altro nel telaio di una bici, ma non credo che questo sia il "lavoro a maglia" attraverso gli strati di una tecnica di produzione più avanzata.

In realtà non conosco i dettagli completi, ma so che la fibra di carbonio tende ad essere forte e flessibile in alcune direzioni e non molto forte in altre. Quindi, quando si costruisce un telaio da esso, è possibile allinearlo correttamente in modo che il telaio sia flessibile e assorba gli urti nel modo in cui i telai dovrebbero funzionare, ma se si applica la pressione sbagliata su di esso (diciamo, lasciarlo lateralmente su una curva di cemento), potrebbe spezzarsi.

Ma, come forse è stato chiarito dalla mia domanda precedente , in realtà non sono sicuro :)