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

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

Metalle wie Stahl und Aluminium sind isotrope Materialien. Das bedeutet, dass ihre mechanischen Eigenschaften in alle Richtungen identisch sind. Wenn Sie einen Stahlwürfel haben, reagiert er auf die gleiche Weise, unabhängig davon, in welche Richtung Sie ziehen oder drücken.

Kohlefaser ist ein Verbundwerkstoff. Es besteht aus Tonnen von kleinen Faserbündeln, die mit einem Epoxid zusammengehalten werden.

Ein Stahlblock ist, nun ja, wie Stahl, aber Kohlefaser ist wie ein großes Bündel zusammengeklebter Strohhalme. 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 enorm stärker als Stahl. In andere Richtungen ist es jedoch eher dünn.

Ingenieure konnten diese Eigenschaften also in Fahrradrahmen ausnutzen. In einem Fahrradrahmen wirken die allermeisten Kräfte hauptsächlich entlang einer einzigen Dimension. Sie können Rohre dünner und leichter machen und dennoch die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit beibehalten.

Es gibt also keinen mechanischen Grund, warum Sie kein voll beladenes Tourenrad oder so etwas wie ein Salsa Fargo mit einem 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 getan wird, ist wegen des Marktes. Kohlefaser ist ein teures Material und schwer zu verarbeiten, und seine mechanischen Eigenschaften eignen sich am besten für Anwendungen mit sehr geringem Gewicht.

Wenn Sie ein Fahrrad mit Stahlrahmen bauen, wenn Sie die Rohre entlang ihrer Länge ausreichend stark genug machen, dass Sie aufgrund der isotropen Eigenschaften von Stählen die seitliche Festigkeit kostenlos erhalten, die Festigkeit, um zu widerstehen, dass Dinge darauf schlagen, Stürzen standhalten usw.

In einem Kohlefaserrahmen erhalten Sie nicht die Stärke in den anderen Dimensionen, es sei denn, Sie entscheiden sich dafür, sie zu konstruieren. Bei Kohlefaserfahrrädern, bei denen das Gewicht ein ernsthaftes Problem darstellt, wurde die technische Entscheidung getroffen, die Rahmen nicht stark zu machen diese Bereiche. Sie könnten dies tun, entscheiden sich jedoch dagegen, da dies für den beabsichtigten Zweck des Fahrrads nicht erforderlich ist.

Wenn Sie ein schwer beladenes Fahrrad bauen, verlieren Sie viele der Vorteile von Kohlefasern, und daher wäre es weitaus wirtschaftlicher, Stahl oder Aluminium zu verwenden. Vor allem, wenn man ein paar gefüllte Wasserflaschen in die Packtasche wirft, übersteigt die Gewichtsersparnis fast das Gewicht.

Zunächst ein Haftungsausschluss: Das meiste, was ich über die Kohlefaserherstellung weiß, stammt von Flugzeugen, nicht von Fahrrädern. Beachten Sie auch, dass Kohlefaser nicht der einzige Verbundstoff ist, der verwendet wird – nur als eine Alternative können auch Kevlar-Fasern nützlich sein (Kevlar ist stärker, aber auch flexibler als Kohle).

Kohlefaser ist stark, reagiert aber nicht gut auf Punktbelastungen . Dies liegt vor allem daran, dass es sich im Grunde um Stoff handelt (aus Kohlenstofffasern gewebt). Wenn Sie einen einzelnen Punkt stark belasten, belasten Sie nur wenige 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 Packband, an dessen Länge Glasfaserfasern entlanglaufen. Das Fiberglas selbst ist wirklich stark, aber der Streifen aus Plastik und "Glibber", der sie zusammenhält, ist viel schwächer. Obwohl sich die Details unterscheiden, gilt die gleiche allgemeine Idee auch für Kohlefaser.

Die genaue Stärke hängt auch von der Richtung ab. Wie ich oben sagte, beginnt Kohlefaser im Grunde genommen mit Fäden, die zu Stoff gewebt werden. Das Tuch wird dann mit einer Art Epoxid imprägniert (das genaue verwendete Epoxid variiert je nach Anwendung), in eine Form gelegt, vakuumverpackt ¹ und dann gebacken, um das Epoxid zu härten. Sie können den Stoff in verschiedenen Webarten erhalten, einige mit der gleichen Menge an Kohlefasern, die in jede Richtung laufen, andere mit (sagen wir) 80 % der Kohlefasern in einer Richtung und nur 20 % in der anderen Richtung. Vermutlich ist der größte Teil des in einem Fahrradrahmen verwendeten CF wahrscheinlich näher an der letzteren Variante, wobei die meisten Fäden entlang der Länge eines Rohrs verlaufen und erheblich weniger um den Umfang des Rohrs herumlaufen.

Wo wir gerade dabei sind: Carbon ist auch bei Dehnung etwa doppelt so stark wie bei Stauchung. Sie haben normalerweise etwa doppelt so viele Lagen, wenn es hauptsächlich einer Druckbelastung ausgesetzt ist.

¹ Vakuumieren bedeutet, dass eine große Plastiktüte um die Form und das aufgelegte Tuch gelegt und die Luft abgesaugt wird. Der Luftdruck an der Außenseite hält die Stoffschichten fest zusammen, um sicherzustellen, dass sie beim Backen wie eine einzige Schicht und nicht als separate Schichten wirken. Dies hat wenig Einfluss auf die Festigkeit bei Dehnung, aber einen großen Einfluss bei Druck oder Biegung.

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

Kohlefaser ist sehr stark, wenn sie gedehnt oder gebogen wird, aber schwach, wenn sie zusammengedrückt oder starken Stößen ausgesetzt wird (z. B. ist eine Kohlefaserstange extrem schwer zu biegen, bricht jedoch leicht, wenn sie mit einem Hammer getroffen wird).

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

Aber bestimmte Arten von Kräften – wie scharfe Stöße – können die Fasern beschädigen und das Material durch Epoxid schwächen, was bei einem Metall weniger wahrscheinlich ist. Und eine kleine Klemme kann bei genügend Kraft ein CF-Rohr zerquetschen (das geht auch mit dünnwandigen Aluminiumrohren, ist aber aufwändiger).

Ich denke, es ist auch erwähnenswert, dass Kohlefaser zwar sehr stark ausgelegt 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 ihn trotzdem nach Hause fahren, aber wenn Sie eine Delle in Kohlefaser machen, haben Sie wahrscheinlich das gesamte Rohr so ​​stark beeinträchtigt, dass Sie wahrscheinlich nicht darauf fahren sollten. Es ist nur viel spröder, daher bedeutet Verformung Brechen, während es bei Metallen normalerweise bedeutet, dass etwas gedehnt oder gestaucht wird, was die strukturelle Integrität vergleichsweise weniger beeinträchtigt.

Etwas spät zur Party, aber hier ist mein Ha'penneth: Wie oben erwähnt, beinhaltet eine übliche Herstellungsmethode von CF-Rahmen das "Auflegen" mehrerer Schichten von harzimprägnierten Fasern mit unterschiedlichen Orientierungen, um die Festigkeitseigenschaften entsprechend den erwarteten Belastungen und der erforderlichen Leistung zu optimieren des Rahmens (z. B. starr vs. geschmeidig/flexibel). In diesem Sinne kann CF genauer auf eine Reihe von Anforderungen für das leichteste Gewicht zugeschnitten werden. Wie bei jedem technischen Problem gibt es Kompromisse. Jede Schicht ist im Wesentlichen zweidimensional (denken Sie an die x- und y-Achse für ein flaches Blatt), die dritte Dimension, die Dicke (denken Sie an die z-Achse), ist nur die Anhäufung von Faserschichten, hat aber per se keine Faserstärke, sondern nur Festigkeit von der Harzmatrix, die alle Fasern zusammenhält. Durch die Dicke des Materials sind CF-Verbundstrukturen also am schwächsten. Und eine häufige Art des Versagens ist als Delaminierung bekannt (die Verbindung zwischen den Schichten versagt). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen, und jede Delamination 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 geklopft und auf Tonänderungen der Hähne geachtet - es erfordert ein geschultes Ohr und ist für den Laien weniger offensichtlich, um eine Tonänderung zu unterscheiden aufgrund einer Delaminierung im Vergleich zu beispielsweise einer Änderung des darunter liegenden Layups (zusätzliche Schichten in der Nähe von Verbindungen usw.). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen, und jede Delamination 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 geklopft und auf Tonänderungen der Hähne geachtet - es erfordert ein geschultes Ohr und ist für den Laien weniger offensichtlich, um eine Tonänderung zu unterscheiden aufgrund einer Delaminierung im Vergleich zu beispielsweise einer Änderung des darunter liegenden Layups (zusätzliche Schichten in der Nähe von Verbindungen usw.). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen, und jede Delamination 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 geklopft und auf Tonänderungen der Hähne geachtet - es erfordert ein geschultes Ohr und ist für den Laien weniger offensichtlich, um eine Tonänderung zu unterscheiden aufgrund einer Delaminierung im Vergleich zu beispielsweise einer Änderung des darunter liegenden Layups (zusätzliche Schichten in der Nähe von Verbindungen usw.).

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

Die große Frage für mich war also immer: Wenn ich ein CF-Bike stürze, woher weiß ich, dass der Ruhm noch strukturelle Integrität hat?

Ich spreche als Radfahrer und Ingenieur, der sich in meiner frühen Karriere auf Verbundwerkstoffe und Verbundwerkstoffe spezialisiert hat. Die Antwort auf das Delaminationsrisiko liegt in Verbundwerkstoffen, bei denen Fasern auch in der z-Dimension (Dicke) verlaufen. Dies kann durch "gestrickte" Faserstrukturen erreicht werden, bei denen Fasern die Schichten miteinander verbinden/verriegeln - das trockene Faser-"Gestrick" wird dann in einer Form gehalten und flüssiges Harz eingespritzt und ausgehärtet. Soweit mir bekannt ist, verwendet noch kein Hersteller diese Technik (teuer - Militär- / Luft- und Raumfahrtbudget). Sie fahren mit dem traditionellen Lay-up-Verfahren aus vorimprägnierten Fasern fort. Einige Hersteller sprechen davon, in einem Fahrradrahmen Fasern von einem Rohr zum anderen "zusammenzuweben", aber ich glaube nicht, dass dies das "Stricken" durch die Schichten einer fortschrittlicheren Herstellungstechnik ist.

Ich kenne nicht alle Details, aber ich weiß, dass Kohlefaser in einigen Richtungen stark und flexibel ist und in anderen nicht sehr stark. Wenn Sie also einen Rahmen daraus bauen, können Sie ihn genau richtig ausrichten, damit der Rahmen biegsam ist und Stöße so absorbiert, wie Rahmen funktionieren sollen, aber wenn Sie den falschen Druck darauf ausüben (sagen wir, ihn seitlich fallen lassen). eine Betonkurve), könnte es reißen.

Aber wie meine vorherige Frage vielleicht deutlich gemacht hat , bin ich mir nicht sicher :)