Por que a fibra de carbono é inerentemente fraca? Ou é?

Essa pergunta me levou a pensar: se fosse possível usar uma armação de carbono, eu usaria, mas as despesas e meu estilo de pilotagem me mantêm usando aço e alumínio. (Gosto de carregar coisas nas prateleiras e não sou um cara magro.)

Estou procurando uma razão física para o carbono ser um material fraco e frágil, adequado para bicicletas leves que serão tratadas com delicadeza. Tenha em mente, eles fazem aviões com essas coisas!

Existe alguma razão para a fibra de carbono ser tratada com luvas de pelica? O que há no material que resiste a ser leve e forte? Ou, talvez, a fraqueza do carbono seja um mito, e é tudo da maneira que os quadros de bicicletas de carbono são construídos atualmente?

A fibra de carbono não é necessariamente um material "fraco" ou "frágil". Se você tivesse um tubo com o mesmo diâmetro e espessura do CF típico que um tubo de estrutura de aço típico, esse tubo CF seria extremamente forte e durável.

Metais como aço e alumínio são materiais isotrópicos. Isso significa que suas propriedades mecânicas são idênticas em todas as direções. Se você tiver um cubo de aço, ele responderá da mesma maneira, independentemente da direção em que você o puxa ou empurra.

A fibra de carbono é um material composto. Consiste em toneladas de pequenos feixes de fibras mantidos juntos com um epóxi.

Bem, um bloco de aço é como aço, mas a fibra de carbono é como um grande pacote de palhas coladas. Em uma direção, é extremamente forte, mas se você empurrar ou puxar para o lado, ele entrará em colapso. Naquela dimensão em que é forte, é muito mais forte que o aço. No entanto, em outras direções, é bastante frágil.

Assim, os engenheiros conseguiram explorar essas propriedades em quadros de bicicletas. Em uma estrutura de bicicleta, a vasta e vasta maioria das forças ocorre primariamente em uma única dimensão. Eles podem tornar os tubos mais finos e leves, mas ainda assim retêm a força e a rigidez desejadas.

Portanto, não há motivo mecânico para que você não possa construir uma bicicleta de turismo totalmente carregada ou algo como uma Salsa Fargo com uma estrutura de carbono, e pode ser igualmente resistente e durável. E provavelmente seria mais leve que uma armação de aço ou alumínio. Mas a razão de não fazer isso é por causa do mercado. A fibra de carbono é um material caro e difícil de trabalhar, e suas propriedades mecânicas são mais adequadas quando você exige aplicações muito leves.

Quando você constrói uma bicicleta com estrutura de aço, quando obtém os tubos suficientemente fortes ao longo de seu comprimento, que, devido às propriedades isotrópicas dos aços, obtém a força lateral de graça, a força para resistir às coisas que batem nela, suportando colisões, etc.

Em um quadro de fibra de carbono, você não obtém força nas outras dimensões, a menos que opte por projetá-lo. Nas bicicletas de fibra de carbono, onde o peso é uma preocupação séria, foi tomada a decisão de engenharia para não tornar os quadros fortes. essas áreas. Eles poderiam fazê-lo, mas optam por não fazê-lo porque não é necessário para o objetivo pretendido das bicicletas.

Quando você constrói uma bicicleta com carga pesada, perde muitas vantagens das fibras de carbono e, portanto, seria muito mais econômico usar aço ou alumínio. Especialmente ao jogar algumas garrafas de água cheias no seu cesto quase excede a economia de peso.

Primeiro um aviso: a maior parte do que sei sobre fabricação de fibra de carbono vem de aeronaves, não de bicicletas. Observe também que a fibra de carbono não é o único composto usado - apenas para uma alternativa, as fibras de Kevlar também podem ser úteis (Kevlar é mais forte, mas também mais flexível que o carbono).

A fibra de carbono é forte, mas não responde bem a tensões pontuais . Isso ocorre principalmente porque é basicamente tecido (tecido de fibras de carbono). Se você colocar muito estresse em um único ponto, estará colocando esse estresse em apenas algumas dessas fibras de carbono. Enquanto as próprias fibras são extremamente fortes (pelo seu peso), a ligação que mantém as fibras individuais unidas é muito mais fraca. Para comparação, pense na fita adesiva que possui fibras de fibra de vidro ao longo de seu comprimento. A fibra de vidro em si é realmente forte, mas a tira de plástico e "gosma" que as mantém juntas é muito mais fraca. Embora os detalhes sejam diferentes, a mesma idéia geral também se aplica à fibra de carbono.

A força exata também depende da direção. Como eu disse acima, a fibra de carbono começa como basicamente fios que são tecidos em tecido. O pano é impregnado com algum tipo de epóxi (o epóxi exato usado varia de acordo com a aplicação), colocado em um molde, ensacado a vácuo ¹ e depois cozido para endurecer o epóxi. Você pode colocar o tecido em vários tecidos diferentes, alguns com a mesma quantidade de fibra de carbono em cada direção, outros com (digamos) 80% da fibra de carbono em uma direção e apenas 20% na outra direção. Em suma, a maior parte do CF usado em um quadro de bicicleta provavelmente está em algum lugar mais próximo da última variedade, com a maioria das roscas percorrendo o comprimento de um tubo e consideravelmente menos ao redor da circunferência do tubo.

Enquanto estivermos nisso: o carbono também é duas vezes mais forte em relação a ser esticado do que a ser comprimido. Você normalmente terá cerca de duas vezes mais dobras onde é submetido principalmente a uma carga compressiva.

¹ Ensacamento a vácuo significa que um grande saco de plástico é colocado ao redor do molde e do pano colocado e o ar é aspirado. A pressão do ar do lado de fora mantém as camadas de pano juntas para (tentar) garantir que, quando assadas, elas ajam como uma única camada, não como camadas separadas. Isso tem pouco efeito na resistência quando submetido a alongamentos, mas um enorme efeito quando submetido a compressão ou flexão.

A fibra de carbono é um material muito forte, mas, como qualquer material, faz algumas coisas melhor que outras. Da Wikipedia :

A fibra de carbono é muito forte quando esticada ou dobrada, mas fraca quando comprimida ou exposta a choques altos (por exemplo, uma barra de fibra de carbono é extremamente difícil de dobrar, mas pode rachar facilmente se for atingida por um martelo).

Considerando que uma estrutura de fibra de carbono pode suportar o peso de um ciclista mais todas as forças que um ciclista adiciona (que podem exceder várias vezes o peso do corpo), não é de maneira alguma fraca. Tudo isso por menos do que o peso de uma estrutura de alumínio ou aço comparável.

Mas certos tipos de forças - como impactos acentuados - podem danificar as fibras e o epóxi enfraquecendo o material, algo menos provável com um metal. E um grampo pequeno pode esmagar um tubo de CF, com força suficiente (você também pode fazer isso com tubos de alumínio de paredes finas, mas é preciso mais esforço).

Também acho que vale a pena ressaltar que, embora a fibra de carbono possa ser muito resistente, ela não é dúctil, como aço ou (em menor grau) alumínio. Você pode colocar um dente de bom tamanho em uma armação de metal e ainda montá-lo em casa, mas se você colocar um dente em fibra de carbono, provavelmente comprometerá todo o tubo a ponto de provavelmente não montar nele. É apenas muito mais frágil; portanto, deformação significa quebra, onde nos metais geralmente significa que algo está esticado ou comprimido, o que faz comparativamente menos para prejudicar a integridade estrutural.

Cheguei atrasado para a festa, mas aqui está o meu ponto de partida: Como mencionado acima, um método comum de fabricação de quadros de CF envolve "colocar" várias camadas de fibras impregnadas de resina de diferentes orientações para otimizar as características de resistência de acordo com as cargas esperadas e o desempenho necessário do quadro (por exemplo, rígido vs flexível / flexível). Nesse sentido, o CF pode ser adaptado com mais precisão a um conjunto de requisitos para o menor peso. Como em todos os problemas de engenharia, existem compromissos. Cada camada é essencialmente bidimensional (pense nos eixos xey para uma folha plana), a terceira dimensão, espessura (pense no eixo z) é apenas o acúmulo de camadas de fibras, mas não possui nenhuma resistência de fibra em si, apenas resistência matriz de resina que mantém todas as fibras juntas. Assim, é através da espessura do material que as estruturas compósitas de CF são mais fracas. E um modo comum de falha é conhecido como delaminação (a ligação entre as camadas falha). Isso pode acontecer de um golpe na superfície e qualquer delaminação nas camadas não será visível externamente. Somente as varreduras podem detectar a extensão de qualquer dano - o método de baixa tecnologia envolve tocar na superfície e escutar qualquer alteração no tom das torneiras - exige uma orelha treinada e é menos óbvio para o leigo diferenciar entre uma mudança no tom devido a uma delaminação versus, digamos, uma alteração na configuração subjacente (camadas extras próximas a junções etc ...). Isso pode acontecer de um golpe na superfície e qualquer delaminação nas camadas não será visível externamente. Somente as varreduras podem detectar a extensão de qualquer dano - o método de baixa tecnologia envolve tocar na superfície e escutar qualquer alteração no tom das torneiras - exige uma orelha treinada e é menos óbvio para o leigo diferenciar entre uma mudança no tom devido a uma delaminação versus, digamos, uma alteração na configuração subjacente (camadas extras próximas a junções etc ...). Isso pode acontecer de um golpe na superfície e qualquer delaminação nas camadas não será visível externamente. Somente as varreduras podem detectar a extensão de qualquer dano - o método de baixa tecnologia envolve tocar na superfície e escutar qualquer alteração no tom das torneiras - exige uma orelha treinada e é menos óbvio para o leigo diferenciar entre uma mudança no tom devido a uma delaminação versus, digamos, uma alteração na configuração subjacente (camadas extras próximas a junções etc ...).

A delaminação é o ponto fraco dos quadros de CF e por que, na minha opinião, eles podem ser descritos como "fortes", mas NÃO "difíceis" ou "resilientes a danos". Uma vez que qualquer golpe antigo poderia comprometer a força da armação e levar a uma inesperada falha catastrófica repentina. Por outro lado, o metal cede gradualmente quando sobrecarregado - portanto, é mais provável que ocorra uma falha repentina (se projetada corretamente).

Portanto, a grande questão para mim sempre foi - se eu bato em uma bicicleta CF, como saberei que a fama ainda tem integridade estrutural.

Falo como ciclista e engenheiro, especializado em meu início de carreira em materiais compostos e colados. A resposta para o risco de delaminação está em materiais compostos, onde as fibras também correm na dimensão z (espessura). Isso pode ser obtido através de estruturas de fibra "tricotadas", onde as fibras ligam / prendem as camadas - a "malha" seca de fibra é mantida em um molde e a resina líquida é injetada e curada. Até onde eu sei, nenhum fabricante ainda usa essa técnica (caro - material militar / aeroespacial do tipo orçamento). Eles continuam com o método tradicional de colocação de fibras pré-impregnadas. Alguns fabricantes falam de "tecer fibras juntas" de um tubo para outro em uma estrutura de bicicleta, mas não acho que esse seja o "tricô" através das camadas de uma técnica de fabricação mais avançada.

Na verdade, não conheço todos os detalhes, mas sei que a fibra de carbono tende a ser forte e flexível em algumas direções, e não muito forte em outras. Portanto, quando você cria um quadro a partir dele, é possível alinhá-lo da maneira certa, para que o quadro fique dobrado e absorva choques da maneira como os quadros devem funcionar, mas se você aplicar a pressão errada (por exemplo, solte-o de lado) curva de concreto), pode rachar.

Mas, como talvez tenha sido esclarecido pela minha pergunta anterior , não tenho certeza :)