कार्बन फाइबर स्वाभाविक रूप से कमजोर क्यों है? या यह है?

Question

यह प्रश्न मुझे सोच में पड़ गया: यदि मेरे लिए कार्बन फ्रेम का उपयोग करना संभव था, तो मैं करूंगा, लेकिन खर्च और मेरी सवारी शैली मुझे स्टील और एल्यूमीनियम का उपयोग करते हुए रखती है। (मुझे रैक पर सामान रखना पसंद है और मैं पतला लड़का नहीं हूं।)

मैं एक भौतिक कारण की तलाश कर रहा हूं कि कार्बन क्यों कमजोर, नाजुक सामग्री है, हल्के बाइक के लिए उपयुक्त है जो नाजुक रूप से व्यवहार किया जाएगा। ध्यान रखें, वे इस सामान से हवाई जहाज बनाते हैं!

क्या कुछ कारण है कि कार्बन फाइबर का उपचार बच्चे के दस्ताने के साथ किया जाना है? यह उस सामग्री के बारे में क्या है जो हल्का और मजबूत होने का प्रतिरोध करती है ? या, शायद, कार्बन एक मिथक की कमजोरी है, और यह सब इस तरह से है कि वर्तमान में कार्बन बाइक फ्रेम बनाए गए हैं?

Comments

यह वीडियो इस विषय से कुछ हद तक संबंधित है: youtube.com/watch?v=5z1fSpZNXhU&t=1m कार्बन रेस फ्रेम के साथ स्टंट।

— देखें

दोस्तों कार्बन फाइबर में फ्रैक्चर की संख्या बहुत कम होती है। एल्यूमीनियम की संख्या लगभग सत्तर गुना अधिक है और स्टील के लिए संख्या अभी तक अधिक है। किसी भी तरह की क्षति, यहां तक ​​कि एक गहरी खरोंच, या एक कोने के लिए जहां उदाहरण के लिए स्टीयर ट्यूब कांटा कारण से मिलता है जिसे एक भंगुर विफलता के रूप में जाना जाता है। ये विफलताएं सामग्री के लिए स्वीकार्य तनाव सीमा से कम पर होती हैं। इसलिए आप अचानक अप्रत्याशित विफलताओं को देखते हैं। इसलिए जब लोग कहते हैं कि यह मजबूत है, तो यह केवल कुछ डिज़ाइन स्थितियों के तहत मजबूत है। हमें पता चला कि 90 के दशक में जेपीएल में सबसे कठिन रास्ता था। हमने इसका उपयोग किया लेकिन अत्यधिक सावधानी के साथ

— हॉक इन्वेंटर

Answer 1

कार्बन फाइबर जरूरी "कमजोर" या "नाजुक" सामग्री नहीं है। यदि आपके पास ठेठ स्टील फ्रेम ट्यूब के रूप में ठेठ सीएफ की एक ही व्यास और मोटाई की ट्यूब थी, तो वह सीएफ ट्यूब बेहद मजबूत और टिकाऊ होगी।

स्टील और एल्यूमीनियम जैसी धातुएँ आइसोट्रोपिक सामग्री हैं। इसका अर्थ है कि उनके यांत्रिक गुण सभी दिशाओं में समान हैं। यदि आपके पास स्टील का क्यूब है, तो यह उसी तरह से प्रतिक्रिया देगा, भले ही आप किस दिशा में खींचे या उस पर धक्का दें।

कार्बन फाइबर एक मिश्रित सामग्री है। यह एक epoxy के साथ एक साथ आयोजित फाइबर के छोटे बंडलों के टन से मिलकर बनता है।

स्टील का एक ब्लॉक, स्टील की तरह, ठीक है, लेकिन कार्बन फाइबर एक साथ चिपके हुए तिनके के एक बड़े बंडल की तरह है। एक दिशा में, यह बेहद मजबूत है, लेकिन यदि आप धक्का देते हैं या किनारे की ओर खींचते हैं, तो यह ढह जाएगा। उस एक आयाम में जहां यह मजबूत है, यह स्टील की तुलना में बहुत अधिक मजबूत है। हालांकि, अन्य दिशाओं में यह बल्कि भड़कीला है।

इसलिए, इंजीनियर उन संपत्तियों का साइकिल फ्रेम में दोहन करने में सक्षम हैं। एक साइकिल फ्रेम में, एक विशाल आयाम के साथ विशाल, विशाल बहुमत हैं। वे नलियों को पतला और हल्का बना सकते हैं फिर भी वांछित शक्ति और कठोरता को बरकरार रख सकते हैं।

इसलिए, ऐसा कोई यांत्रिक कारण नहीं है कि आप पूरी तरह से भरी हुई टूरिंग बाइक या कार्बन फ्रेम वाली साल्सा फारगो जैसी कोई चीज नहीं बना सकते हैं, और यह उतना ही कठिन और टिकाऊ हो सकता है। और यह शायद एक स्टील या एल्यूमीनियम फ्रेम की तुलना में हल्का होगा। लेकिन इसका कारण यह नहीं है कि यह बाजार की वजह से है। कार्बन फाइबर एक महंगी सामग्री है और इसके साथ काम करना मुश्किल है, और जब आप बहुत हल्के अनुप्रयोगों की मांग करते हैं तो इसके यांत्रिक गुण सबसे उपयुक्त होते हैं।

जब आप एक स्टील फ़्रेमयुक्त बाइक का निर्माण करते हैं, जब आप ट्यूबों को उनकी लंबाई के साथ पर्याप्त रूप से मजबूत करते हैं, क्योंकि स्टील्स के आइसोट्रोपिक गुणों के कारण, आपको पार्श्व ताकत मुफ्त में मिलती है, इसमें धमाके करने वाली चीजों का विरोध करने की ताकत, दुर्घटनाओं को समझने, आदि।

एक कार्बन फाइबर फ्रेम में, आपको अन्य आयामों में ताकत नहीं मिलती है जब तक आप इसे डिजाइन करने के लिए नहीं चुनते हैं। कार्बन फाइबर बाइक में, जहां वजन एक गंभीर चिंता का विषय है, इंजीनियरिंग निर्णय फ्रेम को मजबूत नहीं बनाने के लिए किया गया है। उन क्षेत्रों। वे ऐसा कर सकते थे, लेकिन वे इसलिए नहीं चुनते क्योंकि बाइक का इरादा उद्देश्य के लिए आवश्यक नहीं था।

जब आप एक भारी भरकम बाइक का निर्माण करते हैं, तो आप कार्बन फाइबर के बहुत सारे फायदे खो देते हैं, और इसलिए स्टील या एल्यूमीनियम का उपयोग करना कहीं अधिक किफायती होगा। खासतौर पर तब जब आपके पनियर में दंपति ने पानी से भरी बोतलें फेंकी हों, जो वजन की बचत से अधिक हो।

Comments

एक्सेलेंट जवाब!

— हेलटनबीकर

आप कठिन और टिकाऊ मिश्रण करते हैं और वे पूरी तरह से अलग हैं। एल्युमीनियम टिकाऊ नहीं होता क्योंकि इसमें वसा और कार्बन नहीं होता है। कठिन क्या है? मुझे कार्बन पसंद है लेकिन साल्सा फारगो एक अच्छे कारण के लिए स्टील है। स्टील की पैदावार कम होती है लेकिन यह भयावह रूप से विफल नहीं होती है।

— पापाराज़ो

@ बाम: एल्यूमीनियम काफी टिकाऊ हो सकता है। टिकाऊ के पास इंजीनियरिंग की परिभाषा नहीं है, और निश्चित रूप से, जबकि अल में स्टील जैसी धीरज सीमा नहीं है, थकान वाला जीवन इसे एक गैर-मुद्दे को प्रस्तुत करने के लिए पर्याप्त हो सकता है। इसके अलावा कंपोजिट घटकों को भयावह रूप से विफल नहीं होने के लिए बनाया जा सकता है, हालांकि कुछ स्थितियों में जहां उनका उपयोग आज किया जाता है, वह है उपयोग की आवश्यकता।

— whatsisname

एल्यूमीनियम बाइक की थकान जीवन एक गैर-मुद्दा नहीं है।

— पपराज्जो

Answer 2

पहला डिस्क्लेमर: कार्बन फाइबर फैब्रिकेशन के बारे में जो मैं जानता हूं, उसमें से ज्यादातर साइकिल से नहीं बल्कि एयरक्राफ्ट से आता है । यह भी ध्यान दें कि कार्बन फाइबर केवल मिश्रित नहीं है जिसका उपयोग किया जाता है - सिर्फ एक विकल्प के लिए, केवलर फाइबर उपयोगी हो सकते हैं (केवलर मजबूत है, लेकिन कार्बन की तुलना में अधिक लचीला भी है)।

कार्बन फाइबर मजबूत है, लेकिन तनाव को इंगित करने के लिए अच्छी तरह से प्रतिक्रिया नहीं करता है । यह काफी हद तक है क्योंकि यह मूल रूप से कपड़ा (कार्बन फाइबर से बुना) है। यदि आप किसी एक बिंदु पर बहुत अधिक तनाव डालते हैं, तो आप उस तनाव को केवल कुछ कार्बन फाइबर पर डाल रहे हैं। जबकि तंतु स्वयं बहुत मजबूत होते हैं (उनके वजन के लिए), व्यक्तिगत तंतुओं को एक साथ पकड़े हुए संबंध बहुत कमजोर होते हैं। तुलना के लिए, पैकिंग टेप के बारे में सोचें जिसमें फाइबरग्लास फाइबर होते हैं जो इसकी लंबाई के साथ चल रहे हैं। शीसे रेशा वास्तव में मजबूत है, लेकिन प्लास्टिक की पट्टी और उन्हें एक साथ पकड़े "गू" बहुत कमजोर है। यद्यपि विवरण भिन्न हैं, एक ही सामान्य विचार कार्बन फाइबर पर भी लागू होता है।

सटीक ताकत दिशा पर भी निर्भर करती है। जैसा कि मैंने ऊपर कहा, कार्बन फाइबर मूल रूप से धागे के रूप में बाहर निकलता है जो कपड़े में बुना जाता है। कपड़े को तब एपॉक्सी के कुछ प्रकार के साथ लगाया जाता है (सटीक एपॉक्सी का उपयोग अनुप्रयोग के साथ भिन्न होता है), एक सांचे में रखा जाता है, वैक्यूम ¹ से भरा जाता है, फिर एपॉक्सी को कठोर करने के लिए बेक किया जाता है। आप कपड़े को विभिन्न विभिन्न बुनाई में प्राप्त कर सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक दिशा में कार्बन फाइबर की समान मात्रा के साथ, अन्य एक दिशा में 80% कार्बन फाइबर के साथ (कहते हैं), और दूसरी दिशा में केवल 20% है। एक अनुमान के अनुसार, बाइक के फ्रेम में इस्तेमाल किया जाने वाला अधिकांश CF संभवतः बाद की विविधता के करीब होता है, अधिकांश थ्रेड्स एक ट्यूब की लंबाई के साथ चलती हैं, और ट्यूब की परिधि के आसपास काफी कम चलती हैं।

जब तक हम उस पर बने रहते हैं: कार्बन भी दो गुना मजबूत होता है, जबकि संकुचित होने के संबंध में मजबूत होता है। आम तौर पर आपके पास लगभग दो गुना अधिक प्लेन होंगे जहां यह मुख्य रूप से एक कंप्रेसिव लोड के अधीन होता है।

¹ वैक्यूम बैगिंग का मतलब है कि एक बड़ा प्लास्टिक बैग मोल्ड और बिछे हुए कपड़े के चारों ओर रखा जाता है, और हवा को चूसा जाता है। बाहर की तरफ हवा का दबाव कपड़े की परतों को आपस में कसता है (यह सुनिश्चित करने के लिए) कि वे पके हुए हैं, वे एक परत के रूप में कार्य करते हैं, अलग-अलग परत नहीं। स्ट्रेचिंग के अधीन होने पर ताकत पर इसका कम प्रभाव पड़ता है, लेकिन जब संपीड़न या झुकने के लिए एक बड़ा प्रभाव होता है।

Comments

दिलचस्प जवाब। क्या कार्बन फाइबर का इस तरह से उपयोग करना संभव है कि यह उतना ही मज़बूत हो, जितना कि एल्युमिनियम? मुझे आभास हो रहा है कि उत्तर हाँ है, लेकिन यह अधिक मोटा, भारी और अधिक महंगा होगा।

— नील फेन

@neilfein: GT Fury और Santa Cruz V-10 कार्बन डाउनहिल रेसिंग माउंटेन बाइक हैं। वे निश्चित रूप से कठिन हैं। वे निश्चित रूप से "मोटे, भारी और अधिक महंगे हैं ।"

— देखें

@neilfein: आप जिस तनाव के बारे में बात कर रहे हैं, उसे निर्धारित करने के लिए बहुत कुछ किए बिना जवाब देना लगभग असंभव है। एक कच्चे माल के रूप में, सीएफ एल्यूमीनियम की तुलना में ज्यादा मजबूत है, लेकिन एक प्रयोग करने योग्य फ्रेम डिजाइन करने कि शक्ति का लाभ लेने के लिए है बहुत अधिक कठिन।

— जेरी कॉफिन

दिशात्मक ताकत के बारे में सामान के लिए +1। फॉर्मूला वन कारों में सस्पेंशन कार्बन फाइबर से बना होता है, और यह यात्रा की धुरी के साथ हास्यास्पद रूप से मजबूत होता है (उन पीछे के पंखों से उत्पन्न संपीडन की मात्रा बहुत बड़ी होती है!), लेकिन यह रेगुलरली बक्ल्स के साथ सिर पर होने वाले हिरन के टुकड़ों पर प्रभाव डालती है। (अपेक्षाकृत) कम गति।

— एड

Answer 3

कार्बन फाइबर एक बहुत मजबूत सामग्री है, लेकिन किसी भी सामग्री की तरह यह कुछ चीजों को दूसरों की तुलना में बेहतर करती है। से विकिपीडिया :

स्ट्रेच या मुड़े हुए होने पर कार्बन फाइबर बहुत मजबूत होता है, लेकिन संकुचित होने या उच्च आघात के संपर्क में आने पर कमजोर होता है (जैसे कार्बन फाइबर बार झुकना बेहद मुश्किल होता है, लेकिन अगर हथौड़े से मारा जाए तो यह आसानी से फट जाएगा)।

यह देखते हुए कि एक कार्बन फाइबर फ्रेम एक राइडर के वजन का समर्थन कर सकता है और सभी उन बलों को शामिल करता है जो एक राइडर जोड़ता है (जो उनके शरीर के वजन से कई गुना अधिक हो सकता है) यह किसी भी तरह से कमजोर नहीं है। यह सब एक तुलनीय एल्यूमीनियम या स्टील फ्रेम के वजन से कम के लिए है।

लेकिन कुछ प्रकार की ताकतें - जैसे तेज प्रभाव - सामग्री को कमजोर करने वाले तंतुओं और एपॉक्सी को नुकसान पहुंचा सकती हैं, कुछ ऐसा जो धातु के साथ कम होता है। और एक छोटा क्लैंप एक सीएफ ट्यूब को कुचल सकता है, पर्याप्त बल दिया जाता है (आप पतली दीवार वाले एल्यूमीनियम टयूबिंग के साथ भी ऐसा कर सकते हैं लेकिन यह अधिक प्रयास लेता है)।

Comments

वास्तव में यह एक 'कठिन' सामग्री के बिल्कुल विपरीत है। एक कठिन सामग्री टूटने से पहले एक बड़े प्लास्टिक विरूपण से सामना कर सकती है, स्टील कठिन है, कच्चा लोहा या सीएफ नहीं है। प्लास्टिक पर विचार करें = कठिन, कांच = मजबूत

— mg25

@ एमजीबी: "कठिन" को "मजबूत" में बदल दिया

— डार्ककेन

ड्रैग स्ट्रिप पर एक कार पर कार्बन फाइबर ड्राइवशाफ्ट शैटर देखना वाकई दिलचस्प था। एक बहुत ही कठिन AWD प्रक्षेपण के अचानक झटके ने एक विशिष्ट स्टील ड्राइवशाफ्ट की तुलना में तकनीकी रूप से मजबूत होने के बावजूद एक नाटकीय विफलता का कारण बना।

— ब्रायन नोब्लुच

Answer 4

मुझे लगता है कि यह भी इंगित करने योग्य है कि कार्बन फाइबर को काफी मजबूत होने के लिए रखा जा सकता है, यह स्टील या (कुछ हद तक) एल्यूमीनियम की तरह सभी नमनीय नहीं है। आप एक धातु के फ्रेम में एक बहुत अच्छे आकार का सेंध लगा सकते हैं और फिर भी इसे घर की सवारी कर सकते हैं, लेकिन अगर आप कार्बन फाइबर में सेंध लगाते हैं, तो आपने शायद पूरी नली को इस बात के लिए समझौता कर लिया है कि शायद आपको इस पर सवारी नहीं करनी चाहिए। यह सिर्फ बहुत अधिक भंगुर है, इसलिए विरूपण का अर्थ है टूटना, जहां धातुओं में इसका मतलब आमतौर पर किसी चीज का फैला या संकुचित होता है, जो संरचनात्मक अखंडता को चोट पहुंचाने के लिए तुलनात्मक रूप से कम होता है।

Answer 5

पार्टी के लिए थोड़ा देर से लेकिन यहाँ मेरा हाइपेनेथ: जैसा कि सीएफ फ्रेम की एक सामान्य निर्माण विधि के ऊपर उल्लेख किया गया है, इसमें अपेक्षित भार और आवश्यक प्रदर्शन के अनुसार ताकत विशेषताओं को अनुकूलित करने के लिए अलग-अलग झुकावों के राल की कई परतों को "संवारना" शामिल है। फ्रेम करने के लिए (जैसे कठोर बनाम कोमल / flexibe)। इस अर्थ में CF हल्के वजन के लिए आवश्यकताओं के समुच्चय के अनुरूप अधिक सटीक हो सकता है। जैसा कि हर इंजीनियरिंग समस्या के साथ समझौता होता है। प्रत्येक परत अनिवार्य रूप से दो आयामी है (एक सपाट शीट के लिए x और y अक्ष), तीसरा आयाम, मोटाई (थिंक z अक्ष) सिर्फ तंतुओं की परतों का संचय है, लेकिन प्रति फाइबर फाइबर शक्ति नहीं है, केवल ताकत से राल मैट्रिक्स जो सभी तंतुओं को एक साथ रखता है। तो यह सामग्री की मोटाई के माध्यम से है कि सीएफ समग्र संरचना सबसे कमजोर हैं। और विफलता का एक सामान्य तरीका परिशोधन के रूप में जाना जाता है (परतों के बीच का बंधन विफल होता है)। यह एक धमाके से सतह तक हो सकता है और परतों के भीतर कोई भी प्रदूषण बाहरी रूप से दिखाई नहीं देगा। केवल स्कैन किसी भी क्षति की सीमा का पता लगा सकते हैं - कम-तकनीकी पद्धति में सतह का दोहन करना और नल के स्वर में किसी भी बदलाव के लिए सुनना शामिल है - इसके लिए एक प्रशिक्षित कान की आवश्यकता होती है और आम आदमी के लिए टोन में बदलाव के बीच अंतर करने के लिए कम स्पष्ट होता है एक परिसीमन के कारण बनाम अंतर्निहित छंटनी (जॉन्स आदि के पास की अतिरिक्त परतें) में परिवर्तन होता है। यह एक धमाके से सतह तक हो सकता है और परतों के भीतर कोई भी प्रदूषण बाहरी रूप से दिखाई नहीं देगा। केवल स्कैन किसी भी क्षति की सीमा का पता लगा सकते हैं - कम-तकनीकी पद्धति में सतह का दोहन करना और नल के स्वर में किसी भी बदलाव के लिए सुनना शामिल है - इसके लिए एक प्रशिक्षित कान की आवश्यकता होती है और आम आदमी के लिए टोन में बदलाव के बीच अंतर करने के लिए कम स्पष्ट होता है एक परिसीमन के कारण बनाम अंतर्निहित छंटनी (जॉन्स आदि के पास की अतिरिक्त परतें) में परिवर्तन होता है। यह धमाके से सतह तक हो सकता है और परतों के भीतर कोई भी प्रदूषण बाहरी रूप से दिखाई नहीं देगा। केवल स्कैन किसी भी क्षति की सीमा का पता लगा सकते हैं - कम-तकनीकी पद्धति में सतह का दोहन करना और नल के स्वर में किसी भी बदलाव के लिए सुनना शामिल है - इसके लिए एक प्रशिक्षित कान की आवश्यकता होती है और आम आदमी के लिए टोन में बदलाव के बीच अंतर करने के लिए कम स्पष्ट होता है एक परिसीमन के कारण बनाम अंतर्निहित छंटनी (जॉन्स आदि के पास की अतिरिक्त परतें) में परिवर्तन होता है।

प्रदूषण सीएफ फ्रेम का कमजोर स्थान है और क्यों, मेरी राय में, उन्हें "मजबूत" के रूप में वर्णित किया जा सकता है, लेकिन "कठिन" या "क्षति के लिए लचीला" नहीं। चूँकि कोई भी पुराना धमाका फ्रेम की ताकत को खतरे में डाल सकता है और अप्रत्याशित अप्रत्याशित तबाही मचा सकता है। दूसरी ओर धातु धीरे-धीरे ओवरलोड होने पर उपज देती है - इसलिए अचानक विफलता (यदि सही ढंग से डिजाइन की गई है) होने की संभावना कम है।

इसलिए मेरे लिए बड़ा सवाल हमेशा से रहा है - अगर मैं एक सीएफ बाइक को दुर्घटनाग्रस्त कर दूंगा तो मुझे कैसे पता चलेगा कि प्रसिद्धि में अभी भी संरचनात्मक अखंडता है।

मैं एक साइकिल चालक और इंजीनियर के रूप में बात करता हूं, जो मेरे शुरुआती कैरियर में समग्र और बंधुआ सामग्री में विशिष्ट था। प्रदूषण के जोखिम का जवाब समग्र सामग्रियों में निहित है जहां फाइबर भी z (मोटाई) आयाम में चलते हैं। यह "बुना हुआ" फाइबर संरचनाओं के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है जहां फाइबर परतों को एक साथ जोड़ते हैं / लॉक करते हैं - फिर सूखे फाइबर "निट" को एक मोल्ड में रखा जाता है और तरल राल को इंजेक्शन और ठीक किया जाता है। जहाँ तक मैं जानता हूँ कि कोई भी निर्माता अभी तक इस तकनीक (महँगा - सैन्य / एयरोस्पेस बजट प्रकार का सामान) का उपयोग नहीं करता है। वे पूर्व-संसेचित तंतु विधि के पारंपरिक ले-अप के साथ जारी हैं। कुछ निर्माता बाइक के फ्रेम में एक ट्यूब से दूसरे तक "एक साथ बुनाई फाइबर" की बात करते हैं लेकिन मुझे नहीं लगता कि यह एक अधिक उन्नत विनिर्माण तकनीक की परतों के माध्यम से "बुनाई" है।

Answer 6

मैं वास्तव में पूर्ण विवरण नहीं जानता, लेकिन मुझे पता है कि कार्बन फाइबर कुछ दिशाओं में मजबूत और लचीला होता है, और दूसरों में बहुत मजबूत नहीं होता है। इसलिए जब आप इसमें से एक फ्रेम का निर्माण करते हैं, तो आप इसे सही तरीके से संरेखित कर सकते हैं ताकि फ्रेम बेंडी हो और जिस तरीके से फ्रेम काम करने वाले हैं, उसमें झटके को अवशोषित करें, लेकिन यदि आप इस पर गलत दबाव लागू करते हैं (कहते हैं, तो इसे बग़ल में छोड़ दें एक ठोस वक्र), यह दरार कर सकता है।

लेकिन, जैसा कि मेरे पिछले प्रश्न से स्पष्ट हो गया था , मुझे वास्तव में यकीन नहीं है :)