Mengapa serat karbon pada dasarnya lemah? Atau itu?

Pertanyaan ini membuat saya berpikir: Jika mungkin bagi saya untuk menggunakan kerangka karbon, saya akan melakukannya, tetapi biaya dan gaya berkendara saya membuat saya tetap menggunakan baja dan aluminium. (Saya suka mengangkut barang di rak dan saya bukan pria kurus.)

Saya mencari alasan fisik mengapa karbon adalah bahan yang lemah dan rapuh, cocok untuk sepeda ringan yang akan dirawat dengan hati-hati. Perlu diingat, mereka membuat pesawat dari barang ini!

Apakah ada alasan mengapa serat karbon harus dirawat dengan sarung tangan anak? Ada apa dengan materi yang tahan menjadi ringan dan kuat? Atau, mungkin, apakah kelemahan karbon mitos, dan itu semua dalam cara frame sepeda karbon dibangun saat ini?

Serat karbon tidak selalu merupakan bahan "lemah" atau "rapuh". Jika Anda memiliki tabung dengan diameter dan ketebalan CF khas yang sama dengan tabung rangka baja biasa, tabung CF itu akan sangat kuat dan tahan lama.

Logam seperti baja dan aluminium adalah bahan isotropik. Itu berarti sifat mekanik mereka identik di semua arah. Jika Anda memiliki kubus baja, ia akan merespons dengan cara yang sama terlepas dari arah mana Anda menarik atau mendorongnya.

Serat karbon adalah bahan komposit. Ini terdiri dari ton bundel kecil dari serat yang disatukan dengan epoksi.

Satu balok baja, well, seperti baja, tetapi serat karbon seperti seikat besar jerami yang direkatkan. Di satu arah, itu sangat kuat, tetapi jika Anda mendorong atau menarik ke samping, itu akan runtuh. Dalam satu dimensi di mana ia kuat, ia jauh lebih kuat dari baja. Namun, ke arah lain agak lemah.

Jadi, para insinyur telah dapat mengeksploitasi properti-properti itu dalam kerangka sepeda. Dalam kerangka sepeda, mayoritas pasukan yang sangat besar terutama berdimensi satu dimensi. Mereka dapat membuat tabung lebih tipis dan lebih ringan namun tetap mempertahankan kekuatan dan kekakuan yang diinginkan.

Jadi, tidak ada alasan mekanis bahwa Anda tidak dapat membuat sepeda touring yang penuh muatan atau sesuatu seperti Salsa Fargo dengan kerangka karbon, dan bisa jadi sama kuat dan tahan lama. Dan mungkin akan lebih ringan dari kerangka baja atau aluminium. Tetapi alasan itu tidak dilakukan adalah karena pasar. Serat karbon adalah bahan yang mahal dan sulit untuk dikerjakan, dan sifat mekaniknya paling cocok untuk saat Anda membutuhkan aplikasi yang sangat ringan.

Ketika Anda membangun sepeda berbingkai baja, ketika Anda mendapatkan tabung yang cukup kuat sepanjang itu, bahwa karena sifat isotropik baja, Anda mendapatkan kekuatan lateral secara gratis, kekuatan untuk menahan hal-hal yang membenturnya, menahan tabrakan, dll.

Dalam kerangka serat karbon, Anda tidak mendapatkan kekuatan di dimensi lain kecuali jika Anda memilih untuk mendesainnya. Pada sepeda serat karbon, di mana berat merupakan masalah serius, keputusan rekayasa telah dibuat untuk tidak membuat kerangka kuat di area tersebut. Mereka bisa melakukannya, tetapi mereka memilih untuk tidak melakukannya karena itu tidak diperlukan untuk tujuan sepeda yang dimaksudkan.

Ketika Anda membangun sepeda yang sarat muatan, Anda kehilangan banyak keunggulan serat karbon, sehingga akan jauh lebih ekonomis menggunakan baja atau aluminium. Terutama ketika melempar beberapa botol air minum penuh di keranjang beban Anda hampir melebihi penghematan berat.

Pertama, penafian: sebagian besar yang saya tahu tentang fabrikasi serat karbon berasal dari pesawat, bukan sepeda. Perhatikan juga bahwa serat karbon bukan satu-satunya komposit yang digunakan - hanya untuk satu alternatif, serat Kevlar juga dapat bermanfaat (Kevlar lebih kuat, tetapi juga lebih fleksibel daripada karbon).

Serat karbon kuat, tetapi tidak merespon dengan baik terhadap tekanan titik . Ini sebagian besar karena pada dasarnya kain (dijalin dari serat karbon). Jika Anda menempatkan banyak tekanan pada satu titik, Anda menempatkan tekanan itu hanya pada beberapa serat karbon itu. Sementara serat itu sendiri sangat kuat (untuk beratnya), ikatan yang mengikat masing-masing serat jauh lebih lemah. Sebagai perbandingan, pikirkan pita pembungkus yang memiliki serat fiberglass yang membentang sepanjang. Fiberg itu sendiri sangat kuat, tetapi potongan plastik dan "goo" yang menyatukannya jauh lebih lemah. Meskipun detailnya berbeda, gagasan umum yang sama juga berlaku untuk serat karbon.

Kekuatan yang tepat tergantung pada arah juga. Seperti yang saya katakan di atas, serat karbon dimulai sebagai benang yang pada dasarnya ditenun menjadi kain. Kain itu kemudian diresapi dengan semacam epoksi (epoksi yang tepat digunakan bervariasi dengan aplikasi), diletakkan dalam cetakan, vakum ¹ kantong , kemudian dipanggang untuk mengeraskan epoksi. Anda bisa mendapatkan kain dalam berbagai anyaman yang berbeda, beberapa dengan jumlah serat karbon yang sama berjalan di setiap arah, yang lain dengan (katakanlah) 80% dari serat karbon dalam satu arah, dan hanya 20% di arah lain. Pada tebakan, sebagian besar CF yang digunakan dalam kerangka sepeda mungkin berada di suatu tempat yang lebih dekat dengan varietas yang terakhir, dengan sebagian besar benang berjalan sepanjang tabung, dan jauh lebih sedikit berjalan di sekitar keliling tabung.

Selama kita berada di sana: karbon juga sekitar dua kali lebih kuat sehubungan dengan diregangkan dengan dikompresi. Anda biasanya akan memiliki sekitar dua kali lebih banyak lapisan di mana itu terutama mengalami beban tekan.

¹ Vacuum bagging berarti kantong plastik besar diletakkan di sekitar cetakan dan kain yang disiapkan, dan udara dihisap keluar. Tekanan udara di bagian luar menyatukan lapisan-lapisan kain agar (mencoba) memastikan bahwa ketika dipanggang, mereka bertindak sebagai lapisan tunggal, bukan lapisan terpisah. Ini memiliki sedikit efek pada kekuatan ketika mengalami peregangan, tetapi efek yang sangat besar ketika mengalami kompresi atau tekukan.

Serat karbon adalah bahan yang sangat kuat, tetapi seperti bahan apa pun ia melakukan beberapa hal lebih baik daripada yang lain. Dari Wikipedia :

Serat karbon sangat kuat ketika diregangkan atau ditekuk, tetapi lemah saat dikompresi atau terkena kejutan tinggi (misalnya batang serat karbon sangat sulit untuk ditekuk, tetapi akan mudah retak jika dipukul dengan palu).

Menimbang bahwa kerangka serat karbon dapat mendukung berat pengendara ditambah semua kekuatan yang ditambahkan pengendara (yang dapat melebihi beberapa kali berat badannya) itu tidak berarti lemah. Semua ini kurang dari berat aluminium atau rangka baja yang sebanding.

Tetapi jenis kekuatan tertentu - seperti tumbukan tajam - dapat merusak serat dan melemahkan epoksi bahan, sesuatu yang kurang mungkin terjadi dengan logam. Dan sebuah penjepit kecil dapat menghancurkan tabung CF, diberikan kekuatan yang cukup (Anda dapat melakukan ini dengan tabung aluminium berdinding tipis juga tetapi membutuhkan lebih banyak usaha).

Saya pikir itu juga layak menunjukkan bahwa sementara serat karbon dapat dibuat menjadi lebih kuat, itu sama sekali tidak ulet, seperti baja atau aluminium (pada tingkat yang lebih rendah). Anda bisa meletakkan lekuk berukuran cukup bagus di bingkai logam dan masih bisa membawanya pulang, tetapi jika Anda meletakkan lekuk di serat karbon Anda mungkin telah mengkompromikan seluruh tabung ke titik bahwa Anda mungkin tidak boleh naik di atasnya. Itu hanya jauh lebih rapuh, jadi deformasi berarti pecah, di mana dalam logam itu biasanya berarti sesuatu yang diregangkan atau dikompresi, yang secara komparatif kurang merusak integritas struktural.

Agak terlambat ke pesta, tetapi inilah pengalaman saya: Seperti disebutkan di atas, metode pembuatan bingkai CF yang umum melibatkan "peletakan" beberapa lapisan serat resin yang diresapi dengan orientasi berbeda untuk mengoptimalkan karakteristik kekuatan sesuai dengan beban yang diharapkan dan kinerja yang diperlukan. bingkai (misalnya kaku vs kenyal / fleksibel). Dalam hal ini CF mungkin lebih tepat disesuaikan dengan seperangkat persyaratan untuk bobot paling ringan. Seperti halnya setiap masalah teknik ada kompromi. Setiap lapisan pada dasarnya adalah dua dimensi (pikirkan sumbu x dan y untuk lembaran datar), dimensi ketiga, ketebalan (pikir sumbu z) hanyalah akumulasi dari lapisan serat tetapi tidak memiliki kekuatan serat apa pun, hanya kekuatan dari matriks resin yang menahan semua serat. Jadi, melalui ketebalan material, struktur komposit CF paling lemah. Dan mode kegagalan yang umum dikenal sebagai delaminasi (ikatan antar lapisan gagal). Ini dapat terjadi dari pukulan ke permukaan dan setiap delaminasi dalam lapisan tidak akan terlihat secara eksternal. Hanya pemindaian yang dapat mendeteksi tingkat kerusakan apa pun - metode berteknologi rendah melibatkan mengetuk permukaan dan mendengarkan setiap perubahan nada keran - itu memang membutuhkan telinga yang terlatih dan kurang jelas bagi orang awam untuk membedakan antara perubahan nada. karena delaminasi versus mengatakan perubahan dalam layup yang mendasarinya (mengekstraksi layer dekat gabungan dll ...). Ini dapat terjadi dari pukulan ke permukaan dan setiap delaminasi dalam lapisan tidak akan terlihat secara eksternal. Hanya pemindaian yang dapat mendeteksi tingkat kerusakan apa pun - metode berteknologi rendah melibatkan mengetuk permukaan dan mendengarkan setiap perubahan nada keran - itu memang membutuhkan telinga yang terlatih dan kurang jelas bagi orang awam untuk membedakan antara perubahan nada. karena delaminasi versus mengatakan perubahan dalam layup yang mendasarinya (mengekstraksi layer dekat gabungan dll ...). Ini dapat terjadi dari pukulan ke permukaan dan setiap delaminasi dalam lapisan tidak akan terlihat secara eksternal. Hanya pemindaian yang dapat mendeteksi tingkat kerusakan apa pun - metode berteknologi rendah melibatkan mengetuk permukaan dan mendengarkan setiap perubahan nada keran - itu memang membutuhkan telinga yang terlatih dan kurang jelas bagi orang awam untuk membedakan antara perubahan nada. karena delaminasi versus mengatakan perubahan dalam layup yang mendasarinya (mengekstraksi layer dekat gabungan dll ...).

Delaminasi adalah titik lemah dari frame CF dan mengapa, menurut pendapat saya, mereka dapat digambarkan sebagai "kuat" tetapi BUKAN "tangguh" atau "tangguh terhadap kerusakan". Karena sembarang ledakan tua dapat membahayakan kekuatan bingkai dan menyebabkan kegagalan mendadak yang tak terduga. Logam di sisi lain secara bertahap menghasilkan ketika kelebihan beban - sehingga kegagalan mendadak (jika dirancang dengan benar) lebih kecil kemungkinannya terjadi.

Jadi pertanyaan besar bagi saya selalu - jika saya menabrak sepeda CF bagaimana saya tahu bahwa ketenaran masih memiliki integritas struktural.

Saya berbicara sebagai pengendara sepeda dan insinyur yang berspesialisasi dalam karir awal saya di bidang material komposit dan berikat. Jawaban untuk risiko delaminasi terletak pada bahan komposit di mana serat juga berjalan dalam dimensi z (ketebalan). Ini dapat dicapai melalui struktur serat "rajutan" di mana serat menghubungkan / mengunci lapisan - serat kering "rajutan" kemudian disimpan dalam cetakan dan resin cair disuntikkan dan disembuhkan. Sejauh yang saya ketahui belum ada produsen yang menggunakan teknik ini (mahal - jenis barang militer / kedirgantaraan). Mereka melanjutkan dengan lay-up tradisional dari metode serat pra-diresapi. Beberapa produsen berbicara tentang "menenun serat bersama-sama" dari satu tabung ke tabung lainnya dalam kerangka sepeda tetapi saya tidak berpikir ini adalah "rajutan" melalui lapisan-lapisan teknik manufaktur yang lebih maju.

Saya sebenarnya tidak tahu detail lengkapnya, tapi saya tahu Carbon Fiber cenderung kuat dan fleksibel di beberapa arah, dan tidak terlalu kuat di yang lain. Jadi, ketika Anda membangun bingkai dari itu, Anda bisa menyelaraskannya dengan tepat sehingga bingkai itu bendy dan menyerap guncangan dalam cara-cara bingkai seharusnya bekerja, tetapi jika Anda menerapkan tekanan yang salah untuk itu (katakan, letakkan di samping ke kurva beton), mungkin retak.

Tapi, seperti yang mungkin dijelaskan oleh pertanyaan saya sebelumnya , saya sebenarnya tidak yakin :)