Perché la fibra di carbonio è intrinsecamente debole? O no?

La fibra di carbonio non è necessariamente un materiale “debole” o “fragile”. Se si avesse un tubo dello stesso diametro e spessore del tipico CF come un tipico tubo con telaio in acciaio, quel tubo CF sarebbe estremamente resistente e durevole.

I metalli come l'acciaio e l'alluminio sono materiali isotropi. Ciò significa che le loro proprietà meccaniche sono identiche in tutte le direzioni. Se avete un cubo di acciaio, esso risponderà allo stesso modo indipendentemente dalla direzione in cui lo tirate o lo spingete.

La fibra di carbonio è un materiale composito. Consiste di tonnellate di piccoli fasci di fibre tenute insieme da un epossidico.

Un blocco di acciaio è, beh, come l'acciaio, ma la fibra di carbonio è come un grande fascio di cannucce incollate insieme. In una direzione è estremamente forte, ma se si spinge o si tira di lato, crolla. In quell'unica dimensione in cui è forte, è molto più forte dell'acciaio. In altre direzioni, invece, è piuttosto fragile.

Quindi, gli ingegneri sono stati in grado di sfruttare queste proprietà nei telai delle biciclette. In un telaio di bicicletta, la grande, grande maggioranza delle forze sono principalmente lungo una singola dimensione. Possono rendere i tubi più sottili e leggeri, pur mantenendo la resistenza e la rigidità desiderate.

Quindi, non c'è ragione meccanica per cui non si possa costruire una bicicletta da turismo a pieno carico o qualcosa come una Salsa Fargo con un telaio in carbonio, e potrebbe essere altrettanto resistente e durevole. E probabilmente sarebbe più leggera di un telaio in acciaio o alluminio. Ma il motivo per cui non si fa è il mercato. La fibra di carbonio è un materiale costoso e difficile da lavorare, e le sue proprietà meccaniche sono più adatte quando si richiedono applicazioni molto leggere.

Quando si costruisce una bicicletta con telaio in acciaio, quando si ottengono i tubi sufficientemente robusti per tutta la loro lunghezza, che a causa delle proprietà isotrope dell'acciaio, si ottiene la resistenza laterale gratuitamente, la resistenza per resistere alle cose che sbattono contro di essa, resistere agli urti, ecc.

In un telaio in fibra di carbonio, non si ottiene la resistenza nelle altre dimensioni a meno che non si scelga di progettarlo. Nelle biciclette in fibra di carbonio, dove il peso è una seria preoccupazione, la decisione ingegneristica è stata presa per non rendere i telai forti in quelle aree. Potrebbero farlo, ma scelgono di non farlo perché non è necessario per la destinazione d'uso delle biciclette.

Quando si costruisce una bicicletta con un carico pesante, si perdono molti dei vantaggi delle fibre di carbonio, e quindi sarebbe molto più economico usare acciaio o alluminio. Soprattutto quando si gettano un paio di bottiglie d'acqua piene nella borsa quasi supera il risparmio di peso.

Prima di tutto un disclaimer: la maggior parte di ciò che so sulla fabbricazione della fibra di carbonio proviene dagli aerei, non dalle biciclette. Si noti anche che la fibra di carbonio è non l'unico composito che viene utilizzato - solo per un'alternativa, anche le fibre di Kevlar possono essere utili (il Kevlar è più forte, ma anche più flessibile del carbonio).

La fibra di carbonio è forte, ma non risponde bene alle punti sollecitazioni. Ciò è dovuto in gran parte al fatto che si tratta fondamentalmente di tessuto (tessuto di fibre di carbonio). Se si sottopone a molte sollecitazioni in un solo punto, lo si sottopone solo ad alcune di queste fibre di carbonio. Mentre le fibre stesse sono estremamente forti (per il loro peso), il legame che tiene insieme le singole fibre è molto più debole. Per fare un confronto, pensate al nastro da imballaggio che ha fibre di vetro che corrono lungo tutta la sua lunghezza. La fibra di vetro stessa è davvero forte, ma la striscia di plastica e “goo” che le tiene insieme è molto più debole. Anche se i dettagli sono diversi, la stessa idea generale vale anche per la fibra di carbonio.

La resistenza esatta dipende anche dalla direzione. Come ho detto sopra, la fibra di carbonio inizia come un filo che è fondamentalmente tessuto in un tessuto. Il tessuto viene poi impregnato con un qualche tipo di resina epossidica (l'esatta resina epossidica utilizzata varia a seconda dell'applicazione), posata in uno stampo, confezionata sottovuoto1, poi cotta al forno per indurire la resina epossidica. Si può ottenere il panno in varie trame diverse, alcune con la stessa quantità di fibra di carbonio che scorre in ogni direzione, altre con (diciamo) l'80% della fibra di carbonio in una direzione, e solo il 20% nell'altra direzione. Ad un'ipotesi, la maggior parte della CF usata in un telaio da bicicletta è probabilmente più vicina a quest'ultima varietà, con la maggior parte dei fili che corrono lungo la lunghezza di un tubo, e molto meno che corrono lungo la circonferenza del tubo.

Finché ci siamo: il carbonio è anche circa il doppio più forte rispetto all'essere allungato rispetto all'essere compresso. In genere si hanno circa il doppio di strati in cui è principalmente sottoposto a un carico di compressione.

1 Il sacco a vuoto significa che un grosso sacchetto di plastica è posto intorno allo stampo e al panno steso, e l'aria viene aspirata. La pressione dell'aria all'esterno tiene stretti gli strati di tessuto per (cercare di) assicurare che quando sono cotti, essi agiscano come un unico strato, non come strati separati. Questo ha poco effetto sulla resistenza quando sono sottoposti a stiramento, ma un effetto enorme quando sono sottoposti a compressione o a flessione.

La fibra di carbonio è un materiale molto resistente, ma come ogni materiale fa alcune cose meglio di altre. Da Wikipedia :

La fibra di carbonio è molto forte se allungata o piegata, ma debole se compressa o esposta a forti urti (ad esempio una barra di fibra di carbonio è estremamente difficile da piegare, ma si romperà facilmente se colpita con un martello).

Considerando che un telaio in fibra di carbonio può sostenere il peso di un ciclista più tutte le forze che un ciclista aggiunge (che possono superare più volte il suo peso corporeo) non è affatto debole. Tutto questo per meno del peso di un telaio paragonabile in alluminio o acciaio.

Ma certi tipi di forze - come gli impatti bruschi - possono danneggiare le fibre e l'epossidico indebolendo il materiale, cosa che è meno probabile con un metallo. E un piccolo morsetto può schiacciare un tubo CF, data la forza sufficiente (si può fare questo anche con tubi di alluminio a parete sottile, ma ci vuole uno sforzo maggiore).

Penso che valga anche la pena di sottolineare che mentre la fibra di carbonio può essere posata per essere molto resistente, non è per niente duttile, come l'acciaio o (in misura minore) l'alluminio. Si può mettere un'ammaccatura di buone dimensioni in un telaio di metallo e guidarla comunque fino a casa, ma se si mette un'ammaccatura nella fibra di carbonio probabilmente si è compromesso l'intero tubo al punto che probabilmente non ci si dovrebbe salire sopra. È solo molto più fragile, quindi deformazione significa rottura, dove nei metalli significa solitamente qualcosa di allungato o compresso, che fa relativamente meno male all'integrità strutturale.

Un po’ tardi per la festa, ma ecco il mio ha'penneth: come notato sopra, un comune metodo di produzione dei telai CF prevede la “stratificazione” di più strati di fibre impregnate di resina con orientamenti diversi per ottimizzare le caratteristiche di resistenza in base ai carichi previsti e alle prestazioni richieste del telaio (ad esempio rigido vs. flessibile / flessibile). In questo senso CF può essere più precisamente adattato ad un insieme di requisiti per il peso più leggero. Come per ogni problema di ingegneria ci sono dei compromessi. Ogni strato è essenzialmente bidimensionale (si pensi all'asse x e y per una lastra piana), la terza dimensione, lo spessore (si pensi all'asse z) è solo l'accumulo di strati di fibre ma non ha di per sé alcuna resistenza delle fibre, solo la resistenza della matrice di resina che tiene insieme tutte le fibre. Quindi è attraverso lo spessore del materiale che le strutture composite CF sono più deboli. E una modalità comune di fallimento è nota come delaminazione (il legame tra gli strati fallisce). Questo può accadere da un colpo alla superficie e qualsiasi delaminazione all'interno degli strati non sarà visibile esternamente. Solo le scansioni possono rilevare l'entità di qualsiasi danno - il metodo a bassa tecnologia comporta il picchiettare la superficie e l'ascolto di qualsiasi cambiamento di tono dei colpetti - richiede un orecchio allenato ed è meno ovvio per il profano distinguere tra un cambiamento di tono dovuto ad una delaminazione rispetto, diciamo, ad un cambiamento nel layup sottostante (strati estranei vicino alle giunture ecc…).

La delaminazione è il punto debole dei frame CF e perché, a mio parere, possono essere descritti come “forti” ma NON “duri” o “resistenti ai danni”. Poiché qualsiasi vecchio botto potrebbe mettere a repentaglio la forza del telaio e portare ad un improvviso e inaspettato e catastrofico fallimento. Il metallo invece cede gradualmente quando è sovraccarico - quindi è meno probabile che si verifichi un guasto improvviso (se progettato correttamente).

Quindi la grande domanda per me è sempre stata: se mi schianto con una bici CF come farò a sapere che la fama ha ancora integrità strutturale.

Parlo come ciclista e ingegnere specializzato nella mia prima carriera in materiali compositi e legati. La risposta al rischio di delaminazione sta nei materiali compositi, dove le fibre corrono anche nella dimensione z (spessore). Questo può essere ottenuto attraverso strutture di fibre “a maglia” dove le fibre collegano/bloccano gli strati insieme - la fibra secca “a maglia” viene poi tenuta in uno stampo e la resina liquida iniettata e indurita. Per quanto mi risulta nessun produttore utilizza ancora questa tecnica (costosa - roba di tipo militare/aerospaziale di tipo economico). Continuano con il tradizionale metodo di stratificazione delle fibre preimpregnate. Alcuni produttori parlano di “tessere le fibre insieme” da un tubo all'altro in un telaio da bicicletta, ma non credo che questo sia il “lavoro a maglia” attraverso gli strati di una tecnica di produzione più avanzata.

In realtà non conosco tutti i dettagli, ma so che la fibra di carbonio tende ad essere forte e flessibile in alcune direzioni, e non molto forte in altre. Quindi, quando si costruisce un telaio con essa, è possibile allinearla nel modo giusto in modo che il telaio sia piegato e assorba gli urti nel modo in cui i telai dovrebbero funzionare, ma se si applica la pressione sbagliata (ad esempio, lasciarla cadere lateralmente su una curva di cemento), potrebbe creparsi.

Ma, come forse è stato chiarito dalla mia domanda precedente , non sono in realtà sicuro :)