なぜ炭素繊維は本質的に弱いのですか？またはそれは？

この質問は私に考えさせられました：カーボンフレームを使用することが可能であった場合、私はそうしますが、費用と私の乗馬スタイルはスチールとアルミニウムを使用し続けます。（私はラックに荷物を運ぶのが好きで、guyせた男ではありません。）

私は、カーボンが繊細に扱われる軽量バイクに適した、弱くて壊れやすい素材である物理的な理由を探しています。覚えておいて、彼らはこのものから飛行機を作ります！

子供の手袋で炭素繊維を処理しなければならない理由はありますか？軽くて強いことに抵抗する素材についてはどうですか？または、おそらく、カーボンの弱点は神話であり、カーボンバイクフレームが現在構築されている方法にすべてありますか？

炭素繊維は、必ずしも「弱い」または「壊れやすい」材料ではありません。典型的なスチールフレームチューブと同じ直径と厚さの典型的なCFのチューブがある場合、そのCFチューブは非常に強く耐久性があります。

鋼やアルミニウムなどの金属は等方性材料です。つまり、それらの機械的特性はすべての方向で同一です。スチールの立方体がある場合、どの方向に引っ張るか押しても同じように反応します。

炭素繊維は複合材料です。それはエポキシで一緒に保持された繊維の小さな束のトンで構成されています。

鋼鉄の塊はまあ、鋼鉄のようなものですが、炭素繊維は、接着されたストローの大きな束のようなものです。一方向では、非常に強力ですが、横に押したり引いたりすると、崩壊します。それが強い一次元では、鉄よりもはるかに強い。ただし、他の方向ではかなり薄っぺらです。

そのため、エンジニアは自転車のフレームでこれらの特性を活用することができました。自転車のフレームでは、広大で圧倒的多数の力が主に単一の次元に沿っています。チューブをより薄く、より軽くすることができますが、それでも望ましい強度と剛性を保持します。

したがって、フル装備のツーリングバイクやカーボンフレームを使用したサルサファーゴのようなものを構築できなかったという機械的な理由はなく、同じくらい頑丈で耐久性があります。そして、それはおそらくスチールやアルミニウムのフレームよりも軽いでしょう。しかし、それが行われない理由は市場のためです。炭素繊維は高価な材料であり、取り扱いが難しく、その機械的特性は非常に軽い用途を要求する場合に最適です。

スチールフレーム自転車を構築するとき、チューブをその長さに沿って十分に強くすると、スチールの等方性特性により、横方向の強度、衝撃に耐えること、衝突に耐えることに耐える強度などが得られます

カーボンファイバーフレームでは、設計することを選択しない限り、他の寸法で強度を得ることはできません。カーボンファイバーバイクでは、重量が深刻な懸念事項であるため、フレームを強くしないようにエンジニアリングの決定が行われました。それらのエリア。彼らはそうすることができましたが、自転車の意図した目的には必要ないので、彼らはそうしません。

重い荷物を積んだ自転車を作ると、多くの炭素繊維の利点が失われるため、スチールまたはアルミニウムを使用する方がはるかに経済的です。特に、パニエに水を入れたボトルをカップルで入れると、重量の節約をほぼ上回ります。

まず免責事項：炭素繊維の製造について私が知っていることのほとんどは、自転車ではなく航空機からのものです。また、炭素繊維だけが使用される複合材料ではないことに注意してください。1つの選択肢として、ケブラー繊維も有用です（ケブラーはより強力ですが、炭素よりも柔軟性があります）。

炭素繊維は丈夫ですが、点応力に十分に反応しません。これは主に、基本的には布（炭素繊維で編まれた）であるためです。一点に多くのストレスをかけると、それらの炭素繊維のほんの一部にストレスをかけることになります。繊維自体は（その重量に対して）非常に強力ですが、個々の繊維を一緒に保持する結合ははるかに弱いです。比較のために、ガラス繊維がその長さに沿って走っている梱包テープを考えてください。グラスファイバー自体は非常に強力ですが、プラスチックのストリップとそれらをつなぐ「グー」は非常に弱いです。詳細は異なりますが、炭素繊維にも同じ一般的な考え方が当てはまります。

正確な強度も方向に依存します。上で言ったように、炭素繊維は基本的に布に織り込まれた糸から始まります。次に、布​​にある種のエポキシを含浸させ（使用する正確なエポキシは用途によって異なります）、型に入れて真空袋に入れ¹、焼き付けてエポキシを硬化させます。さまざまな織り方で布を手に入れることができます。ある方向には同じ量の炭素繊維が走り、ある方向には80％の炭素繊維があり、反対方向には20％しかありません。推測では、自転車のフレームで使用されるCFのほとんどは、おそらく後者に近いもので、ほとんどのスレッドはチューブの長さに沿って走り、チューブの周囲を走るのはかなり少なくなります。

私たちがそれをしている限り、炭素は、圧縮されているのと引き伸ばされた場合の約2倍の強さを持っています。通常、主に圧縮荷重がかかる場所の約2倍の層があります。

¹真空袋詰めとは、大きなビニール袋が型とレイアップされた布の周りに置かれ、空気が吸い出されることを意味します。外側の空気圧は布の層をしっかりと保持し、焼き上げられたときにそれらが別々の層ではなく単一の層として機能するようにします。これは、ストレッチを受けたときの強度にはほとんど影響しませんが、圧縮または曲げを受けたときの大きな影響はあります。

炭素繊維は非常に強い素材ですが、他の素材と同様に、他の素材よりも優れた機能を発揮します。ウィキペディアから：

炭素繊維は引っ張ったり曲げたりすると非常に強くなりますが、圧縮したり強い衝撃を与えたりすると弱くなります（たとえば、炭素繊維の棒は曲げるのが非常に困難ですが、ハンマーで叩くと簡単に割れます）。

カーボンファイバーフレームは、ライダーの体重に加えて、ライダーが加えるすべての力（体重の数倍を超える可能性がある）を支えることができることを考えると、決して弱いわけではありません。これはすべて、同等のアルミニウムまたはスチールフレームの重量未満です。

しかし、特定の種類の力-鋭い衝撃など-は繊維を損傷し、エポキシは材料を弱めます。これは金属では起こりにくいことです。また、十分な力があれば、小さなクランプでCFチューブを押しつぶすことができます（薄壁のアルミニウムチューブでもこれを行うことができますが、さらに手間がかかります）。

また、炭素繊維は十分に強くなるようにレイアップすることができますが、スチールや（程度は低いが）アルミニウムのように、延性がまったくないことも指摘する価値があると思います。かなり良いサイズのへこみを金属フレームに入れて、まだ家に乗ることができますが、炭素繊維にへこみを入れると、おそらくチューブ全体を乗ってはいけない程度に妥協したでしょう。はるかに脆いので、変形とは破壊を意味し、金属では通常何かが伸びたり縮んだりすることを意味し、構造的完全性を害することは比較的少なくなります。

パーティーに少し遅れましたが、これが私の特徴です：上記のように、CFフレームの一般的な製造方法では、異なる方向の樹脂含浸繊維の複数の層を「レイアップ」して、予想される荷重と必要なパフォーマンスに応じて強度特性を最適化しますフレームの（例えば、剛体vsしなやか/フレキシベ）。この意味で、CFは最軽量の要件に合わせてより正確に調整することができます。すべてのエンジニアリングの問題と同様に、妥協点があります。各レイヤーは基本的に2次元（フラットシートのxおよびy軸と考えてください）、3番目の次元、厚さ（z軸と考えてください）は繊維の層の単なる累積ですが、繊維の強度自体はなく、すべての繊維を一緒に保持する樹脂マトリックス。したがって、CF複合構造が最も弱いのは材料の厚さです。そして、一般的な破損モードは層間剥離として知られています（層間の結合が破損します）。これは表面への打撃から発生する可能性があり、層内の層間剥離は外部からは見えません。損傷の程度を検出できるのはスキャンのみです。ローテクな方法では、表面をタップしてタップの音色の変化を聞きます-訓練された耳が必要であり、素人にとって音色の変化を区別することはあまりありません。層間剥離と基礎となるレイアップの変更（結合近くの外部レイヤーなど）が原因です。これは表面への打撃から発生する可能性があり、層内の層間剥離は外部からは見えません。損傷の程度を検出できるのはスキャンのみです。ローテクな方法では、表面をタップしてタップの音色の変化を聞きます-訓練された耳が必要であり、素人にとって音色の変化を区別することはあまりありません。層間剥離と基礎となるレイアップの変更（結合近くの外部レイヤーなど）が原因です。これは表面への打撃から発生する可能性があり、層内の層間剥離は外部からは見えません。損傷の程度を検出できるのはスキャンのみです。ローテクな方法では、表面をタップしてタップの音色の変化を聞きます-訓練された耳が必要であり、素人にとって音色の変化を区別することはあまりありません。層間剥離と基礎となるレイアップの変更（結合近くの外部レイヤーなど）が原因です。

層間剥離は、CFフレームの弱点であり、なぜ、私の意見では、それらは「強靭」ではなく「強靭」または「損傷に強い」と表現されるかもしれません。古いバングはフレームの強度を危険にさらし、予期しない突然の壊滅的な障害を引き起こす可能性があるためです。一方、金属は過負荷になると徐々に降伏します。そのため、突然の故障（正しく設計されている場合）は発生しにくくなります。

だから私にとって大きな疑問は常にあった。CFバイクをクラッシュさせたら、その名声がまだ構造的完全性を持っていることをどうやって知るのか。

私は、複合材料および結合材料の初期のキャリアに特化したサイクリストおよびエンジニアとして話します。層間剥離のリスクに対する答えは、繊維がz（厚さ）次元でも走る複合材料にあります。これは、繊維が層をつなぎ合わせ/ロックする「ニット」繊維構造によって実現されます。次に、乾燥繊維「ニット」が金型に保持され、液体樹脂が射出および硬化されます。私が知る限り、この手法を使用しているメーカーはまだありません（高価-軍事/航空宇宙予算タイプのもの）。彼らは従来の含浸繊維のレイアップ法を続けています。一部のメーカーは自転車のフレームでチューブ間で「繊維を一緒に織る」ことについて話しますが、これはより高度な製造技術の層を通る「編み物」だとは思いません。

私は実際には完全な詳細を知りませんが、炭素繊維はある方向では強くて柔軟性があり、他の方向ではあまり強くない傾向があることを知っています。そのため、フレームを構築するとき、フレームが曲がり、フレームが機能するはずの方法で衝撃を吸収するように、適切に調整することができますが、間違った圧力をかけると（たとえば、横に落とす）具体的な曲線）、割れることがあります。

しかし、おそらく私の前の質問で明らかにされたように、私は実際にはわからない:)