탄소 섬유가 본질적으로 약한 이유는 무엇입니까? 아니면?

이 질문에 대해 생각하게되었습니다. 카본 프레임을 사용할 수 있다면 비용과 라이딩 스타일에 따라 강철과 알루미늄을 사용할 수 있습니다. (나는 선반에 물건을 운반하는 것을 좋아하고 마른 사람이 아닙니다.)

나는 탄소가 약하고 깨지기 쉬운 물질이며 섬세하게 취급되는 가벼운 자전거에 적합한 물리적 인 이유를 찾고 있습니다. 명심하십시오, 그들은이 물건에서 비행기를 만듭니다!

아이의 장갑으로 탄소 섬유를 처리해야하는 이유가 있습니까? 이 레지스트는 빛 존재하는 물질에 대해 무엇 과 강력한? 아니면 아마도 탄소의 약점은 신화이며, 현재 탄소 자전거 프레임이 만들어지는 방식일까요?

탄소 섬유는 반드시 "약한"또는 "깨지기 쉬운"재료는 아닙니다. 일반 강철 프레임 튜브와 동일한 직경 및 두께의 일반 CF 튜브를 사용하는 경우 해당 CF 튜브는 매우 강력하고 내구성이 있습니다.

강철 및 알루미늄과 같은 금속은 등방성 재료입니다. 즉, 기계적 성질이 모든 방향에서 동일하다는 것을 의미합니다. 강철 입방체가있는 경우, 어떤 방향으로 당기든지 밀지 않더라도 같은 방식으로 반응합니다.

탄소 섬유는 복합 재료입니다. 그것은 에폭시와 함께 유지되는 섬유의 작은 묶음으로 구성됩니다.

강철 블록은 강철과 비슷하지만 탄소 섬유는 서로 붙어있는 큰 빨대 묶음과 같습니다. 한 방향으로는 매우 강하지 만 밀거나 옆으로 당기면 접 힙니다. 그것이 강한 하나의 차원에서, 그것은 강철보다 훨씬 더 강합니다. 그러나 다른 방향으로는 다소 약합니다.

따라서 엔지니어들은 자전거 프레임에서 이러한 특성을 활용할 수있었습니다. 자전거 프레임에서, 광대하고 대다수의 힘은 기본적으로 단일 차원을 따라 있습니다. 튜브를 더 얇고 가볍게 만들면서도 원하는 강도와 강성을 유지할 수 있습니다.

따라서 완전히로드 된 투어링 자전거 나 살사 파고 (Salsa Fargo)와 같은 카본 프레임을 만들 수 없었던 기계적 이유는 없으며, 견고하고 내구성이 뛰어납니다. 그리고 아마도 강철 또는 알루미늄 프레임보다 가벼울 것입니다. 그러나 그것이 이루어지지 않은 이유는 시장 때문입니다. 탄소 섬유는 고가의 재료이며 다루기가 어려우며, 기계적 특성은 매우 가벼운 용도를 요구할 때 가장 적합합니다.

강철 프레임 자전거를 만들 때 길이에 따라 충분히 강한 튜브를 얻으면 강철 등방성 특성으로 인해 측면 강도가 자유롭고 충돌에 견딜 수있는 힘, 충돌에 견딜 수있는 강도 등이 생깁니다.

탄소 섬유 프레임에서는 디자인을 선택하지 않으면 다른 치수의 강도를 얻을 수 없습니다. 무게가 심각한 문제인 탄소 섬유 자전거에서는 프레임을 강하게 만들지 않는 엔지니어링 결정이 내려졌습니다. 그 지역. 그들은 그렇게 할 수 있지만, 자전거의 목적에 필요하지 않기 때문에 선택하지 않습니다.

무거운 짐을 싣는 자전거를 만들면 탄소 섬유의 장점을 많이 잃게되므로 강철이나 알루미늄을 사용하는 것이 훨씬 경제적입니다. 특히 패니에 물을 담은 두 병을 던지면 무게가 거의 줄어 듭니다.

먼저 면책 조항 : 탄소 섬유 제조에 대해 알고있는 대부분은 자전거가 아닌 항공기에서 나옵니다 . 또한 탄소 섬유는 유의 하지 아니라 (케블라 강하게뿐만 아니라 탄소보다 더 유연)로 하나 개의 대안, 케블라 (Kevlar) 섬유가 유용 할 수 있습니다 - 사용 가도록 유일한 복합.

탄소 섬유는 강하지 만 점 응력 에 잘 반응하지 않습니다 . 이것은 기본적으로 천 (탄소 섬유로 짠 것)이기 때문입니다. 단일 지점에 많은 스트레스를 가하면 탄소 섬유 중 일부에만 스트레스를 가하게됩니다. 섬유 자체는 (중량에 대해) 매우 강하지 만, 개별 섬유를 함께 보유하는 결합은 훨씬 약하다. 비교를 위해 길이에 따라 유리 섬유 섬유가 달린 포장 테이프를 생각해보십시오. 유리 섬유 자체는 매우 강하지 만 플라스틱 스트립과 "goo"를 함께 고정시키는 것이 훨씬 약합니다. 세부 사항은 다르지만 탄소 섬유에도 동일한 일반적인 아이디어가 적용됩니다.

정확한 강도는 방향에 따라 다릅니다. 위에서 말했듯이 탄소 섬유는 기본적으로 천으로 짜여진 실로 시작됩니다. 그런 다음 천에 일종의 에폭시 (정확한 에폭시가 용도에 따라 다름)를 함침시키고 몰드에 놓고 진공 포장 한 ¹ 다음 베이킹하여 에폭시를 경화시킵니다. 천을 다양한 방향으로 만들 수 있습니다. 일부 방향으로 같은 양의 탄소 섬유가 있고 다른 한 방향으로 탄소 섬유의 80 %, 다른 방향으로 20 % 만 있습니다. 자전거 프레임에 사용되는 대부분의 CF는 아마도 후자의 다양성에 더 가깝고, 대부분의 스레드는 튜브의 길이를 따라 움직이고 튜브의 원주를 따라 달리는 것은 상당히 적습니다.

우리가있는 한, 탄소는 또한 압축되는 것보다 연신되는 것에 비해 약 2 배 강합니다. 일반적으로 압축 하중을받는 곳의 플라이는 약 2 배입니다.

¹ 진공 자루에 넣기 란 곰팡이와 헝겊에 큰 비닐 봉투를 놓고 공기를 빨아들이는 것을 의미합니다. 외부의 기압은 천의 층을 서로 단단히 고정 시켜서 (구워서) 베이킹 될 때 별도의 층이 아닌 단일 층의 역할을하도록합니다. 이것은 신장 될 때 강도에 거의 영향을 미치지 않지만 압축 또는 절곡 될 때 큰 영향을 미친다.

탄소 섬유는 매우 강한 재료이지만 다른 재료와 마찬가지로 다른 재료보다 더 잘합니다. 에서 위키 백과 :

탄소 섬유는 신축되거나 구부러 질 때 매우 강하지 만 압축되거나 강한 충격에 노출되면 약합니다 (예 : 탄소 섬유 바는 구부리기가 매우 어렵지만 망치로 부딪히면 쉽게 깨질 수 있습니다).

탄소 섬유 프레임이 라이더의 무게와 라이더가 추가하는 모든 힘 (체중의 몇 배를 초과 할 수 있음)을지지 할 수 있다는 것을 고려하면 결코 약한 것은 아닙니다. 이 모든 것이 비슷한 알루미늄 또는 강철 프레임의 무게보다 적습니다.

그러나 날카로운 충격과 같은 특정 유형의 힘은 섬유에 손상을 줄 수 있으며 에폭시는 금속에 덜 영향을주는 물질을 약화시킵니다. 그리고 작은 클램프로 충분한 힘이 주어지면 CF 튜브를 부술 수 있습니다 (얇은 알루미늄 튜브로도 가능하지만 더 많은 노력이 필요합니다).

탄소 섬유를 강하게 만들 수는 있지만 강철이나 알루미늄과 같은 연성이 아니라는 점을 지적 할 가치가 있다고 생각합니다. 금속 프레임에 적당한 크기의 움푹 들어간 곳을 넣어서 집으로 옮길 수는 있지만 탄소 섬유에 움푹 들어간 곳은 아마 튜브를 타지 말아야 할 정도로 전체 튜브를 손상했을 수 있습니다. 그것은 훨씬 더 부서지기 쉽기 때문에 변형은 부서짐을 의미합니다.

파티에 약간 늦었지만 여기에 내 의견이 있습니다. 위에서 언급 한 바와 같이 CF 프레임의 일반적인 제조 방법은 예상되는 하중과 필요한 성능에 따라 강도 특성을 최적화하기 위해 방향이 다른 수지 함침 섬유의 여러 층을 "레이 밍업"하는 것과 관련이 있습니다. 프레임의 (예 : 강성 대 유연 / flexibe). 이러한 의미에서 CF는 가장 가벼운 무게에 대한 일련의 요구 사항에보다 정확하게 맞춰질 수 있습니다. 모든 엔지니어링 문제와 마찬가지로 타협이 있습니다. 각 층은 본질적으로 2 차원 (평평한 시트의 경우 x 및 y 축으로 생각)이며, 3 차원, 두께 (z 축으로 생각)는 단지 섬유층의 축적이지만 섬유 강도 자체는 없으며 단지 모든 섬유를 하나로 묶는 수지 매트릭스. 따라서 CF 복합 구조가 가장 약한 것은 재료의 두께를 통하는 것입니다. 그리고 일반적인 실패 모드는 박리 (층간 결합 실패)라고합니다. 이것은 표면에서 타격으로 발생할 수 있으며 층 내의 박리는 외부에서 보이지 않습니다. 스캔만으로도 손상 정도를 감지 할 수 있습니다. 최첨단 방법은 표면을 두드리고 탭의 톤 변화를 수신하는 것과 관련이 있습니다. 훈련 된 귀가 필요하고 일반인이 톤의 변화를 구별하는 것이 덜 명확합니다. 층간 박리로 인해 기본 레이 업 (조인트 근처의 외부 레이어 등)이 변경되었다고 말합니다. 이것은 표면에서 타격으로 발생할 수 있으며 층 내의 박리는 외부에서 보이지 않습니다. 스캔만으로도 손상 정도를 감지 할 수 있습니다. 최첨단 방법은 표면을 두드리고 탭의 톤 변화를 수신하는 것과 관련이 있습니다. 훈련 된 귀가 필요하고 일반인이 톤의 변화를 구별하는 것이 덜 명확합니다. 층간 박리로 인해 기본 레이 업 (조인트 근처의 외부 레이어 등)이 변경되었다고 말합니다. 이것은 표면에서 타격으로 발생할 수 있으며 층 내의 박리는 외부에서 보이지 않습니다. 스캔만으로도 손상 정도를 감지 할 수 있습니다. 최첨단 방법은 표면을 두드리고 탭의 톤 변화를 수신하는 것과 관련이 있습니다. 훈련 된 귀가 필요하고 일반인이 톤의 변화를 구별하는 것이 덜 명확합니다. 층간 박리로 인해 기본 레이 업 (조인트 근처의 외부 레이어 등)이 변경되었다고 말합니다.

박리는 CF 프레임의 약점이며, 제 생각에 "강력한"것으로 묘사 될 수 있지만 "강건한"또는 "손상에 대한 탄력성"이 아닌 이유는 무엇입니까? 오래된 뱅이 프레임의 강도를 떨어 뜨릴 수 있고 예기치 않은 갑작스러운 치명적인 실패로 이어졌습니다. 반면에 금속은 과부하 상태 일 때 점차적으로 생성되므로 갑작스런 고장 (정확히 설계된 경우)이 발생할 가능성이 적습니다.

CF 자전거를 추락하면 명성이 여전히 구조적 무결성을 가지고 있음을 어떻게 알 수 있습니까?

저는 복합 재료 및 보세 재료 분야에서 초기 경력을 쌓은 사이클리스트이자 엔지니어입니다. 박리 위험에 대한 해답은 섬유가 z (두께) 치수로 진행되는 복합 재료에 있습니다. 이것은 섬유가 층들을 서로 연결 / 고정하는 "니트 (knitted)"섬유 구조를 통해 달성 될 수있다-건조 섬유 "니트"는 몰드에 고정되고 액체 수지가 주입되고 경화된다. 내가 아는 한,이 제조업체는 아직이 기술을 사용하지 않습니다 (비용이 많이 드는 군사 / 항공 예산 유형). 그들은 사전 함침 된 섬유 방법의 전통적인 레이 업을 계속합니다. 일부 제조업체는 자전거 프레임에서 한 튜브에서 다른 튜브로 "섬유를 함께 짜기"에 대해 이야기하지만, 이것이 더 진보 된 제조 기술의 층을 통한 "편직"이라고 생각하지 않습니다.

나는 실제로 전체 세부 사항을 알지 못하지만 탄소 섬유는 어떤 방향에서는 강력하고 유연하지만 다른 방향에서는 강하지는 않다는 것을 알고 있습니다. 따라서 프레임을 만들 때 프레임이 구부러지고 프레임이 작동하는 방식으로 충격을 흡수하도록 프레임을 올바르게 정렬 할 수 있지만 프레임에 잘못된 압력을 가하면 (예를 들어 옆으로 떨어 뜨립니다) 콘크리트 곡선)에 균열이 생길 수 있습니다.

그러나 이전 질문 에서 분명하게 알 수 있듯이 실제로 확실하지 않습니다. :)