¿Por qué la fibra de carbono es inherentemente débil? ¿O es eso?

Esta pregunta me hizo pensar: si fuera posible para mí usar un cuadro de carbono, lo haría, pero el gasto y mi estilo de conducción me mantienen usando acero y aluminio. (Me gusta transportar cosas en bastidores y no soy un tipo flaco).

Estoy buscando una razón física por la cual el carbono es un material débil y frágil, adecuado para bicicletas ligeras que serán tratadas con delicadeza. ¡Tenga en cuenta que hacen aviones con estas cosas!

¿Hay alguna razón por la cual la fibra de carbono debe tratarse con guantes para niños? ¿Qué tiene el material que resiste ser ligero y fuerte? O, tal vez, ¿es la debilidad del carbono un mito, y todo está en la forma en que se construyen los cuadros de bicicleta de carbono en la actualidad?

La fibra de carbono no es necesariamente un material "débil" o "frágil". Si tuviera un tubo con el mismo diámetro y grosor de CF típico que un tubo de marco de acero típico, ese tubo CF sería extremadamente resistente y duradero.

Metales como el acero y el aluminio son materiales isotrópicos. Eso significa que sus propiedades mecánicas son idénticas en todas las direcciones. Si tiene un cubo de acero, responderá de la misma manera, independientemente de la dirección en la que tire o empuje.

La fibra de carbono es un material compuesto. Consiste en toneladas de pequeños paquetes de fibras unidas con un epóxico.

Un bloque de acero es, bueno, como el acero, pero la fibra de carbono es como un gran paquete de pajitas pegadas. En una dirección, es extremadamente fuerte, pero si empujas o tiras hacia un lado, colapsará. En esa dimensión donde es fuerte, es mucho más fuerte que el acero. Sin embargo, en otras direcciones es bastante endeble.

Por lo tanto, los ingenieros han podido explotar esas propiedades en los cuadros de bicicleta. En un cuadro de bicicleta, la gran mayoría de las fuerzas se encuentra principalmente en una sola dimensión. Pueden hacer que los tubos sean más delgados y livianos, pero aún conservan la resistencia y rigidez deseadas.

Por lo tanto, no existe una razón mecánica por la que no pueda construir una bicicleta de turismo completamente cargada o algo así como una Salsa Fargo con un cuadro de carbono, y podría ser igual de resistente y duradera. Y probablemente sería más ligero que un marco de acero o aluminio. Pero la razón por la que no se hace es por el mercado. La fibra de carbono es un material costoso y difícil de trabajar, y sus propiedades mecánicas son más adecuadas para cuando se requieren aplicaciones muy ligeras.

Cuando construyes una bicicleta con marco de acero, cuando obtienes los tubos lo suficientemente fuertes a lo largo de su longitud, que debido a las propiedades isotrópicas de los aceros, obtienes la resistencia lateral de forma gratuita, la resistencia para resistir los golpes, resistir choques, etc.

En un cuadro de fibra de carbono, no obtienes la resistencia en las otras dimensiones a menos que elijas diseñarlo. En las bicicletas de fibra de carbono, donde el peso es una preocupación seria, se ha tomado la decisión de ingeniería de no hacer que los cuadros sean fuertes en esas áreas Podrían hacerlo, pero eligen no hacerlo porque no es necesario para el propósito previsto de las bicicletas.

Cuando construyes una bicicleta con carga pesada, pierdes muchas de las ventajas de las fibras de carbono, por lo que sería mucho más económico usar acero o aluminio. Especialmente cuando tirar un par de botellas de agua llenas en su maleta casi supera el ahorro de peso.

Primero un descargo de responsabilidad: la mayoría de lo que sé sobre la fabricación de fibra de carbono proviene de aviones, no de bicicletas. También tenga en cuenta que la fibra de carbono no es el único compuesto que se usa: solo para una alternativa, las fibras de Kevlar también pueden ser útiles (Kevlar es más fuerte, pero también más flexible que el carbono).

La fibra de carbono es fuerte, pero no responde bien a tensiones puntuales . Esto se debe principalmente a que es básicamente tela (tejida con fibras de carbono). Si pone mucho estrés en un solo punto, está poniendo ese estrés en solo unas pocas de esas fibras de carbono. Si bien las fibras en sí son extremadamente fuertes (por su peso), la unión que mantiene unidas las fibras individuales es mucho más débil. A modo de comparación, piense en la cinta de embalaje que tiene fibras de fibra de vidrio a lo largo de su longitud. La fibra de vidrio en sí misma es realmente fuerte, pero la tira de plástico y "pegajoso" que los mantiene unidos es mucho más débil. Aunque los detalles difieren, la misma idea general se aplica también a la fibra de carbono.

La fuerza exacta también depende de la dirección. Como dije anteriormente, la fibra de carbono comienza básicamente como hilos que se tejen en tela. Luego se impregna la tela con algún tipo de epóxico (el epóxico exacto utilizado varía con la aplicación), se coloca en un molde, se empaqueta al vacío ¹ , luego se hornea para endurecer el epóxico. Puede obtener la tela en varios tejidos diferentes, algunos con la misma cantidad de fibra de carbono en cada dirección, otros con (digamos) el 80% de la fibra de carbono en una dirección y solo el 20% en la otra dirección. Supongo que la mayor parte de la FQ utilizada en el cuadro de una bicicleta probablemente esté más cerca de la última variedad, con la mayoría de los hilos a lo largo de un tubo y considerablemente menos alrededor de la circunferencia del tubo.

Mientras lo hagamos, el carbono también es aproximadamente el doble de fuerte con respecto a ser estirado que comprimido. Por lo general, tendrá alrededor del doble de capas donde se somete principalmente a una carga de compresión.

¹ El envasado al vacío significa que se coloca una gran bolsa de plástico alrededor del molde y la tela acumulada, y se aspira el aire. La presión del aire en el exterior mantiene apretadas las capas de tela para (asegurar) que cuando se hornean, actúan como una sola capa, no como capas separadas. Esto tiene poco efecto sobre la resistencia cuando se somete a estiramiento, pero un efecto enorme cuando se somete a compresión o flexión.

La fibra de carbono es un material muy fuerte, pero como cualquier material, hace algunas cosas mejor que otras. De Wikipedia :

La fibra de carbono es muy fuerte cuando se estira o se dobla, pero débil cuando se comprime o se expone a golpes fuertes (por ejemplo, una barra de fibra de carbono es extremadamente difícil de doblar, pero se agrietará fácilmente si se golpea con un martillo).

Teniendo en cuenta que un cuadro de fibra de carbono puede soportar el peso de un ciclista más todas las fuerzas que agrega un ciclista (que puede exceder varias veces su peso corporal) no es de ninguna manera débil. Todo esto por menos del peso de un marco de aluminio o acero comparable.

Pero ciertos tipos de fuerzas, como los impactos agudos, pueden dañar las fibras y el epoxi debilitando el material, algo que es menos probable con un metal. Y una pequeña abrazadera puede aplastar un tubo CF, dada la fuerza suficiente (también puede hacerlo con tubos de aluminio de pared delgada, pero requiere más esfuerzo).

Creo que también vale la pena señalar que, si bien la fibra de carbono se puede colocar para que sea lo suficientemente resistente, no es para nada dúctil, como el acero o (en menor medida) el aluminio. Puede poner una abolladura de un tamaño bastante bueno en un marco de metal y aún así montarla en su casa, pero si le pone una abolladura en fibra de carbono, probablemente haya comprometido todo el tubo hasta el punto de que probablemente no deba montarlo. Es mucho más frágil, por lo que la deformación significa rotura, donde en los metales generalmente significa que algo está estirado o comprimido, lo que hace relativamente menos daño a la integridad estructural.

Llegué un poco tarde a la fiesta, pero aquí está mi experiencia: como se señaló anteriormente, un método común de fabricación de marcos CF implica "colocar" múltiples capas de fibras impregnadas de resina de diferentes orientaciones para optimizar las características de resistencia de acuerdo con las cargas esperadas y el rendimiento requerido del marco (por ejemplo, rígido vs flexible / flexibe). En este sentido, la FQ puede adaptarse con mayor precisión a un conjunto de requisitos para el peso más ligero. Como con cada problema de ingeniería, hay compromisos. Cada capa es esencialmente bidimensional (piense en los ejes x e y para una hoja plana), la tercera dimensión, el grosor (piense en el eje z) es solo la acumulación de capas de fibras pero no tiene ninguna resistencia de fibra per se, solo resistencia del matriz de resina que mantiene todas las fibras juntas. Por lo tanto, es a través del grosor del material que las estructuras compuestas de CF son más débiles. Y un modo común de falla se conoce como delaminación (el enlace entre capas falla). Esto puede ocurrir por un golpe en la superficie y cualquier delaminación dentro de las capas no será visible externamente. Solo los escaneos pueden detectar el alcance de cualquier daño: el método de baja tecnología implica tocar la superficie y escuchar cualquier cambio en el tono de los grifos; requiere un oído entrenado y es menos obvio que el lego diferencie entre un cambio en el tono debido a una delaminación versus un cambio en la disposición subyacente (capas extr cerca de uniones, etc.). Esto puede ocurrir por un golpe en la superficie y cualquier delaminación dentro de las capas no será visible externamente. Solo los escaneos pueden detectar el alcance de cualquier daño: el método de baja tecnología implica tocar la superficie y escuchar cualquier cambio en el tono de los grifos; requiere un oído entrenado y es menos obvio que el lego diferencie entre un cambio en el tono debido a una delaminación versus un cambio en la disposición subyacente (capas extr cerca de uniones, etc.). Esto puede ocurrir por un golpe en la superficie y cualquier delaminación dentro de las capas no será visible externamente. Solo los escaneos pueden detectar el alcance de cualquier daño: el método de baja tecnología implica tocar la superficie y escuchar cualquier cambio en el tono de los grifos; requiere un oído entrenado y es menos obvio que el lego diferencie entre un cambio en el tono debido a una delaminación versus un cambio en la disposición subyacente (capas extr cerca de uniones, etc.).

La delaminación es el punto débil de los cuadros de FQ y por qué, en mi opinión, pueden describirse como "fuertes" pero NO "resistentes" o "resistentes al daño". Dado que cualquier viejo golpe podría poner en peligro la fuerza del marco y conducir a una inesperada falla catastrófica repentina. El metal, por otro lado, cede gradualmente cuando se sobrecarga, por lo que es menos probable que ocurra una falla repentina (si está diseñada correctamente).

Entonces, la gran pregunta para mí siempre ha sido: si choco una bicicleta CF, ¿cómo sabré que la fama todavía tiene integridad estructural?

Hablo como ciclista e ingeniero especializado en mis primeros años de carrera en materiales compuestos y adheridos. La respuesta al riesgo de delaminación radica en los materiales compuestos donde las fibras también corren en la dimensión z (espesor). Esto se puede lograr a través de estructuras de fibra "tricotadas" donde las fibras unen / bloquean las capas juntas; la "tricota" de fibra seca se mantiene en un molde y se inyecta y cura resina líquida. Hasta donde yo sé, ningún fabricante todavía utiliza esta técnica (costosa, material de tipo militar / aeroespacial). Continúan con el método tradicional de colocación de fibras impregnadas previamente. Algunos fabricantes hablan de "tejer fibras juntas" de un tubo a otro en un cuadro de bicicleta, pero no creo que este sea el "tejido" a través de las capas de una técnica de fabricación más avanzada.

En realidad, no conozco todos los detalles, pero sé que la fibra de carbono tiende a ser fuerte y flexible en algunas direcciones, y no muy fuerte en otras. Entonces, cuando construye un marco con él, puede alinearlo de manera correcta para que el marco se doble y absorba los impactos en la forma en que se supone que funcionan los marcos, pero si le aplica la presión incorrecta (por ejemplo, colóquelo de lado una curva de hormigón), podría romperse.

Pero, como tal vez fue aclarado por mi pregunta anterior , en realidad no estoy seguro :)