Warum ist Kohlefaser von Natur aus schwach? Oder ist es?

Diese Frage brachte mich zum Nachdenken: Wenn es mir möglich wäre, einen Carbonrahmen zu verwenden, würde ich das tun, aber die Kosten und mein Fahrstil halten mich davon ab, Stahl und Aluminium zu verwenden. (Ich ziehe gerne Sachen auf Gestellen und bin kein dünner Kerl.)

Ich suche nach einem physikalischen Grund, warum Carbon ein schwaches, zerbrechliches Material ist, das für leichte Fahrräder geeignet ist, die schonend behandelt werden. Denken Sie daran, sie machen Flugzeuge aus diesem Zeug!

Muss Kohlefaser aus irgendeinem Grund mit Kinderhandschuhen behandelt werden? Was ist mit dem Material, das sich gegen Leichtigkeit und Festigkeit wehrt ? Oder ist die Schwäche von Carbon vielleicht ein Mythos und alles in der Art und Weise, wie Carbon-Fahrradrahmen derzeit gebaut werden?

Kohlefaser ist nicht unbedingt ein "schwaches" oder "zerbrechliches" Material. Wenn Sie ein Rohr mit dem gleichen Durchmesser und der gleichen Dicke von typischem CF wie ein typisches Stahlrahmenrohr hätten, wäre dieses CF-Rohr extrem stark und langlebig.

Metalle wie Stahl und Aluminium sind isotrope Werkstoffe. Das heißt, ihre mechanischen Eigenschaften sind in alle Richtungen gleich. Wenn Sie einen Stahlwürfel haben, reagiert dieser auf dieselbe Weise, unabhängig davon, in welche Richtung Sie daran ziehen oder darauf drücken.

Kohlefaser ist ein Verbundwerkstoff. Es besteht aus Tonnen kleiner Faserbündel, die mit einem Epoxidharz zusammengehalten werden.

Ein Stahlblock ist wie Stahl, aber Kohlefaser ist wie ein großes Bündel Strohhalme, die zusammengeklebt werden. In eine Richtung ist es extrem stark, aber wenn Sie zur Seite drücken oder ziehen, bricht es zusammen. In dieser einen Dimension, in der es stark ist, ist es weitaus stärker als Stahl. In anderen Richtungen ist es jedoch eher dürftig.

So konnten Ingenieure diese Eigenschaften in Fahrradrahmen ausnutzen. In einem Fahrradrahmen befindet sich die überwiegende Mehrheit der Kräfte in erster Linie in einer einzigen Dimension. Sie können Schläuche dünner und leichter machen und dennoch die gewünschte Festigkeit und Steifheit beibehalten.

Es gibt also keinen mechanischen Grund, warum Sie kein voll beladenes Tourenrad oder so etwas wie einen Salsa Fargo mit Carbonrahmen bauen könnten, und es könnte genauso robust und langlebig sein. Und es wäre wahrscheinlich leichter als ein Stahl- oder Aluminiumrahmen. Aber der Grund, warum es nicht gemacht wird, ist der Markt. Kohlefaser ist ein teures und schwer zu bearbeitendes Material, und seine mechanischen Eigenschaften eignen sich am besten für Anwendungen mit sehr geringem Gewicht.

Wenn Sie ein Fahrrad mit Stahlrahmen bauen und die Rohre entlang ihrer Länge ausreichend fest sind, erhalten Sie aufgrund der isotropen Stahleigenschaften kostenlos die Seitenfestigkeit, die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, Stürze usw.

In einem Carbonrahmen erhalten Sie die Festigkeit in den anderen Dimensionen nur, wenn Sie sich dafür entscheiden, ihn zu konstruieren. In Carbonrädern, bei denen das Gewicht ein ernstes Problem darstellt, wurde die Entscheidung getroffen, die Rahmen nicht stark zu machen diese Bereiche. Sie könnten dies tun, aber sie entscheiden sich dagegen, da dies für den beabsichtigten Zweck des Motorrads nicht erforderlich ist.

Wenn Sie ein schwer beladenes Fahrrad bauen, verlieren Sie eine Menge der Carbonfaservorteile und es wäre weitaus wirtschaftlicher, Stahl oder Aluminium zu verwenden. Vor allem, wenn Sie ein paar gefüllte Wasserflaschen in Ihren Koffer werfen, übersteigt dies fast die Gewichtsersparnis.

Zunächst ein Disclaimer: Das meiste, was ich über die Herstellung von Kohlefasern weiß, stammt aus Flugzeugen, nicht aus Fahrrädern. Beachten Sie auch, dass Carbonfaser nicht der einzige Verbundstoff ist, der verwendet wird - nur für eine Alternative können Kevlarfasern ebenfalls nützlich sein (Kevlar ist stärker, aber auch flexibler als Carbon).

Carbonfaser ist stark, aber nicht reagiert gut auf Punkt betont. Dies liegt hauptsächlich daran, dass es sich im Grunde genommen um Stoff handelt (der aus Kohlenstofffasern gewebt ist). Wenn Sie an einem Punkt viel Stress ausüben, belasten Sie nur einige dieser Kohlenstofffasern. Während die Fasern selbst extrem stark sind (für ihr Gewicht), ist die Bindung, die die einzelnen Fasern zusammenhält, viel schwächer. Denken Sie zum Vergleich an das Verpackungsband, dessen Länge Glasfasern aufweist. Das Fiberglas selbst ist sehr stark, aber der Streifen aus Plastik und "Kleber", der sie zusammenhält, ist viel schwächer. Obwohl sich die Details unterscheiden, gilt der gleiche allgemeine Gedanke auch für Carbonfasern.

Die genaue Stärke hängt auch von der Richtung ab. Wie ich oben sagte, fängt Carbonfaser als im Allgemeinen Fäden an, die in Tuch gesponnen werden. Das Tuch wird dann mit einer Art Epoxid imprägniert (das genaue verwendete Epoxid variiert mit der Anwendung), in eine Form gelegt, vakuumverpackt ¹ und dann eingebrannt, um das Epoxid zu härten. Sie können den Stoff in verschiedenen Geweben erhalten, wobei einige mit der gleichen Menge an Kohlefaser in jede Richtung verlaufen, andere mit (sagen wir) 80% der Kohlefaser in eine Richtung und nur 20% in die andere Richtung. Vermutlich ist der größte Teil des CF, der in einem Fahrradrahmen verwendet wird, wahrscheinlich näher an der letztgenannten Sorte, wobei die meisten Gewinde entlang der Länge eines Rohrs verlaufen und erheblich weniger um den Umfang des Rohrs verlaufen.

Solange wir schon dabei sind: Carbon ist auch in Bezug auf Dehnung etwa doppelt so stark wie komprimiert. Normalerweise haben Sie ungefähr doppelt so viele Lagen, bei denen es hauptsächlich einer Druckbelastung ausgesetzt ist.

¹ Vakuumverpackung bedeutet, dass eine große Plastiktüte um die Form und das aufgelegte Tuch gelegt wird und die Luft abgesaugt wird. Der Luftdruck an der Außenseite hält die Stoffschichten fest zusammen, um sicherzustellen, dass sie beim Backen als einzelne Schicht und nicht als separate Schichten fungieren. Dies hat nur einen geringen Einfluss auf die Festigkeit beim Dehnen, aber einen großen Einfluss beim Zusammendrücken oder Biegen.

Kohlefaser ist ein sehr starkes Material, aber wie jedes Material kann es einige Dinge besser als andere. Aus Wikipedia :

Kohlenstofffasern sind sehr stark, wenn sie gedehnt oder gebogen werden, aber schwach, wenn sie zusammengedrückt oder starken Stößen ausgesetzt werden (z. B. ist ein Kohlenstofffaserstab extrem schwer zu biegen, kann jedoch leicht brechen, wenn er mit einem Hammer geschlagen wird).

Wenn man bedenkt, dass ein Carbonrahmen das Gewicht eines Fahrers plus aller Kräfte, die ein Fahrer aufbringt (die das Mehrfache seines Körpergewichts übersteigen können), tragen kann, ist er keineswegs schwach. All dies für weniger als das Gewicht eines vergleichbaren Aluminium- oder Stahlrahmens.

Bestimmte Arten von Kräften - wie scharfe Stöße - können jedoch die Fasern beschädigen und das Material durch Epoxidharz schwächen, was bei einem Metall weniger wahrscheinlich ist. Und eine kleine Klammer kann ein CF-Rohr bei ausreichender Kraft zerdrücken (dies ist auch mit dünnwandigen Aluminiumrohren möglich, erfordert jedoch mehr Kraftaufwand).

Ich denke, es ist auch erwähnenswert, dass Carbonfaser zwar ausreichend fest verlegt werden kann, aber überhaupt nicht duktil ist, wie Stahl oder (in geringerem Maße) Aluminium. Sie können eine ziemlich große Delle in einen Metallrahmen stecken und trotzdem nach Hause fahren, aber wenn Sie eine Delle in Kohlefaser stecken, haben Sie wahrscheinlich den gesamten Schlauch so stark beeinträchtigt, dass Sie wahrscheinlich nicht darauf fahren sollten. Es ist nur viel spröder, und Verformung bedeutet Brechen. Bei Metallen bedeutet dies normalerweise, dass etwas gedehnt oder zusammengedrückt wird, was die strukturelle Integrität vergleichsweise weniger beeinträchtigt.

Ein bisschen zu spät zur Party, aber hier ist mein Vorteil: Wie oben erwähnt, beinhaltet eine übliche Herstellungsmethode für CF-Rahmen das "Auflegen" mehrerer Lagen harzimprägnierter Fasern mit unterschiedlichen Orientierungen, um die Festigkeitseigenschaften entsprechend den erwarteten Belastungen und der erforderlichen Leistung zu optimieren des Rahmens (zB starr vs geschmeidig / flexibe). In diesem Sinne kann CF genauer auf eine Reihe von Anforderungen für das geringste Gewicht zugeschnitten werden. Wie bei jedem technischen Problem gibt es Kompromisse. Jede Schicht ist im wesentlichen zweidimensional (denke x- und y-Achse für eine flache Folie), die dritte Dimension, Dicke (denke z-Achse), ist nur die Anhäufung von Schichten von Fasern, hat aber an sich keine Faserfestigkeit, sondern nur die Festigkeit von Harzmatrix, die alle Fasern zusammenhält. Durch die Dicke des Materials sind CF-Verbundstrukturen am schwächsten. Eine übliche Art des Versagens ist die Delaminierung (die Verbindung zwischen den Schichten versagt). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen, und eine Ablösung innerhalb der Schichten ist von außen nicht sichtbar. Nur Scans können das Ausmaß eines Schadens erkennen. Bei der Low-Tech-Methode wird auf die Oberfläche getippt und auf Tonänderungen der Klopfen geachtet. Es ist ein geschultes Ohr erforderlich und es ist für den Laien weniger offensichtlich, zwischen Tonänderungen zu unterscheiden aufgrund einer delaminierung versus sprich einer veränderung der darunter liegenden lage (extr schichten in der nähe von fugen etc ...). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen, und eine Ablösung innerhalb der Schichten ist von außen nicht sichtbar. Nur Scans können das Ausmaß eines Schadens erkennen. Bei der Low-Tech-Methode wird auf die Oberfläche getippt und auf Tonänderungen der Klopfen geachtet. Es ist ein geschultes Ohr erforderlich und es ist für den Laien weniger offensichtlich, zwischen Tonänderungen zu unterscheiden aufgrund einer delaminierung versus sprich einer veränderung der darunter liegenden lage (extr schichten in der nähe von fugen etc ...). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen, und eine Ablösung innerhalb der Schichten ist von außen nicht sichtbar. Nur Scans können das Ausmaß eines Schadens erkennen. Bei der Low-Tech-Methode wird auf die Oberfläche getippt und auf Tonänderungen der Klopfen geachtet. Es ist ein geschultes Ohr erforderlich und es ist für den Laien weniger offensichtlich, zwischen Tonänderungen zu unterscheiden aufgrund einer delaminierung versus sprich einer veränderung der darunter liegenden lage (extr schichten in der nähe von fugen etc ...).

Delamination ist die Schwachstelle von CF-Rahmen und warum sie meiner Meinung nach als "stark", aber NICHT "zäh" oder "widerstandsfähig gegen Beschädigungen" bezeichnet werden können. Denn jeder alte Knall könnte die Festigkeit des Rahmens gefährden und zu einem unerwarteten plötzlichen katastrophalen Ausfall führen. Metall hingegen gibt bei Überlastung allmählich nach - ein plötzlicher Ausfall (bei richtiger Auslegung) ist daher weniger wahrscheinlich.

Die große Frage für mich war also immer: Wenn ich ein CF-Bike stürze, woher weiß ich dann, dass der Ruhm immer noch strukturell intakt ist?

Ich spreche als Radfahrer und Ingenieur, der sich auf meine frühe Karriere in Verbund- und Verbundwerkstoffen spezialisiert hat. Die Antwort auf das Delaminierungsrisiko liegt bei Verbundwerkstoffen, bei denen die Fasern auch in der z-Dimension (Dicke) verlaufen. Dies kann durch "gestrickte" Faserstrukturen erreicht werden, bei denen Fasern die Schichten verbinden / verriegeln - die trockenen "gestrickten" Fasern werden dann in einer Form gehalten und flüssiges Harz eingespritzt und gehärtet. Soweit mir bekannt ist, verwendet noch kein Hersteller diese Technik (kostspielig - Militär- / Luft- und Raumfahrtbudget). Sie setzen das traditionelle Verfahren des Aufbringens von vorimprägnierten Fasern fort. Einige Hersteller sprechen vom "Zusammenweben von Fasern" von einem Schlauch zum anderen in einem Fahrradrahmen, aber ich denke nicht, dass dies das "Stricken" durch die Schichten einer fortschrittlicheren Herstellungstechnik ist.

Ich kenne eigentlich nicht alle Details, aber ich weiß, dass Carbonfasern in manchen Richtungen stark und flexibel sind und in anderen nicht sehr stark. Wenn Sie einen Rahmen daraus bauen, können Sie ihn genau so ausrichten, dass der Rahmen biegsam ist und Stöße in der Art und Weise absorbiert, in der er funktionieren soll eine konkrete Kurve), könnte es brechen.

Aber, wie vielleicht aus meiner vorherigen Frage hervorgeht , bin ich mir nicht sicher :)