为什么碳纤维天生脆弱？还是？

这个问题让我开始思考：如果可以，我可以使用碳纤维车架，但是费用和骑行风格让我只能使用钢和铝。（我喜欢在架子上拖拉东西，但我不是一个瘦子。）

我正在寻找碳为何是一种脆弱的，易碎的材料的物理原因，适用于将被精细处理的轻型自行车。请记住，他们是用这种东西制造飞机的！

出于某些原因，必须使用儿童手套来处理碳纤维吗？是什么样的抵抗不轻的材料和强？或者，也许碳的弱点是一个神话，而碳纤维车架目前的制造方式全是这样吗？

碳纤维不一定是“弱”或“易碎”的材料。如果您使用的管径和厚度与典型的CF钢管相同，且与典型的钢制框架钢管相同，则CF钢管将非常坚固耐用。

像钢和铝这样的金属是各向同性的材料。这意味着它们的机械性能在所有方向上都是相同的。如果您有一个立方体钢，则无论您向哪个方向拉或推，它都将以相同的方式响应。

碳纤维是一种复合材料。它由数吨的细小纤维束与环氧树脂固定在一起。

钢块就像钢一样，但是碳纤维就像一大束稻草粘在一起。在一个方向上，它非常坚固，但是如果向一侧推动或拉动，它将崩溃。在一个坚固的尺寸上，它比钢坚固得多。但是，从其他方向看，它相当脆弱。

因此，工程师已经能够利用自行车车架中的这些特性。在自行车车架中，绝大多数的力主要是沿一个维度。它们可以使管子更细，更轻，但仍保持所需的强度和刚度。

因此，没有机械上的原因，即您无法制造一辆满载的旅行自行车或带有碳纤维车架的Salsa Fargo之类的东西，它可能同样坚固耐用。而且它可能比钢或铝框架轻。但之所以没有这样做，是因为有市场。碳纤维是一种昂贵的材料，难以使用，其机械性能最适合于您要求非常轻的应用场合时使用。

建造钢制自行车时，如果使管沿其长度足够坚固，则由于钢的各向同性特性，您将获得自由的侧向强度，抵抗撞击的强度，承受碰撞的强度等。

在碳纤维车架中，除非选择设计，否则您将无法获得其他尺寸的强度。在碳纤维自行车中，重量是一个非常重要的问题，因此，工程决策已决定不使车架坚固。这些区域。他们可以这样做，但他们选择不这样做，因为这对于自行车的预期目的不是必需的。

当您制造重型自行车时，您会失去很多碳纤维的优势，因此使用钢或铝将更加经济。尤其是当将几个装满水的水壶扔进您的尿管时，其重量几乎超过了节省的重量。

首先是免责声明：我对碳纤维制造的大部分了解都来自飞机，而不是自行车。还要注意，碳纤维并不是唯一使用的复合材料-只是一种替代选择，凯夫拉纤维也可以使用（凯夫拉纤维比碳纤维更结实，但也比碳纤维更具柔韧性）。

碳纤维很结实，但对点应力却反应不好。这主要是因为它基本上是布（由碳纤维编织而成）。如果您在一个点上施加了很大的压力，那么您只会在其中一些碳纤维上施加这种压力。尽管纤维本身非常坚固（就其重量而言），但将各个纤维粘合在一起的结合却弱得多。为了进行比较，考虑一下在长度方向上具有玻璃纤维的包装带。玻璃纤维本身确实很坚固，但是将它们粘合在一起的塑料条和“粘”的弱得多。尽管细节有所不同，但相同的基本思想也适用于碳纤维。

确切的强度也取决于方向。就像我在上面说的那样，碳纤维的起点基本上是编织成布料的线。然后，将布浸入某种类型的环氧树脂（所使用的确切环氧树脂随应用场合而变化），将其放在模具中，用真空袋包装¹，然后烘烤以硬化环氧树脂。您可以得到各种不同编织方式的布，其中一些在每个方向上分布着相同数量的碳纤维，而另一种（例如）在一个方向上包含80％的碳纤维，而在另一个方向上仅包含20％的碳纤维。可以猜想，自行车车架中使用的大多数CF可能更接近后一种，其中大部分螺纹沿管的长度延伸，而沿管的圆周延伸的螺纹则少得多。

只要我们能做到：就拉伸而言，碳的强度约为压缩的两倍。通常，在主要承受压缩载荷的地方，其铺层通常约为其两倍。

¹真空套袋是指在模具和铺好的布周围放置一个大塑料袋，然后将空气吸出。外部的气压将几层布紧紧地绑在一起（以确保烘烤时）是单层的，而不是分开的。这在拉伸时对强度的影响很小，但是在压缩或弯曲时却影响很大。

碳纤维是一种非常坚固的材料，但与任何材料一样，它在某些方面做得比其他要好。从维基百科：

碳纤维在拉伸或弯曲时非常坚固，但在压缩或受到强烈震动时却很弱（例如，碳纤维棒极难弯曲，但如果被锤子击打，很容易破裂）。

考虑到的碳纤维框架可以支持骑车人的重量加上决不弱所有的骑乘者增加了的力（其可以超过几次其体重）它是。所有这些都小于可比的铝制或钢制框架的重量。

但是某些类型的作用力（例如剧烈的冲击力）会损坏纤维和环氧树脂，从而使材料变弱，而金属则不太可能发生这种情况。如果有足够的力，一个小的夹子可以压碎CF管（您也可以使用薄壁铝管来这样做，但需要更多的精力）。

我认为还值得指出的是，虽然碳纤维可以铺放得足够坚固，但它根本不像钢或铝（在较小程度上）那样具有延展性。您可以在金属框架上放一个相当大的凹痕，然后仍将其骑回家，但是如果在碳纤维中放置凹痕，则可能损害了整个管子，以至于您不应该骑在它上面。它的脆性要大得多，所以变形意味着破裂，而在金属中，变形通常意味着某些东西被拉伸或压缩，而对结构完整性的损害相对较小。

有点晚了，但是这是我的习惯：如上所述，CF框架的常见制造方法涉及“层叠”多层不同方向的树脂浸渍纤维，以根据预期的载荷和所需的性能优化强度特性。框架的刚度（例如刚度与柔韧性/柔韧性）。从这个意义上讲，CF可以更精确地定制为最轻量的一组要求。与每个工程问题一样，都有折衷方案。每层基本上是二维的（对于平板来说，x和y轴），第三维，厚度（z轴）仅是纤维层的堆积，但本身没有任何纤维强度，仅来自于纤维的强度。树脂基体将所有纤维保持在一起。因此，通过材料的厚度，CF复合结构最弱。常见的失效模式称为分层（层之间的粘合失效）。这可能是由于吹到表面而引起的，并且层内的任何分层都不会在外部看到。只有扫描才能检测出任何损坏的程度-低技术方法涉及敲击表面并聆听敲击声的任何变化-它确实需要训练有素的耳朵，对于外行人来说，区分声调变化不太明显由于分层而不是说基础层的变化（连接附近的外部层等）引起的。这可能是由于吹到表面而引起的，并且层内的任何分层都不会在外部看到。只有扫描才能检测出任何损坏的程度-低技术方法涉及敲击表面并聆听敲击声的任何变化-它确实需要训练有素的耳朵，对于外行人来说，区分声调变化不太明显由于分层而不是说基础层的变化（连接附近的外部层等）引起的。这可能是由于吹到表面而引起的，并且层内的任何分层都不会在外部看到。只有扫描才能检测出任何损坏的程度-低技术方法涉及敲击表面并聆听敲击声的任何变化-它确实需要训练有素的耳朵，对于外行人来说，区分声调变化不太明显由于分层而不是说基础层的变化（连接附近的外部层等）引起的。

分层是CF框架的弱点，在我看来，为什么将它们描述为“强”而不是“坚硬”或“抗损坏”。由于任何旧的爆炸都可能危及框架的强度，并导致意外的突然灾难性故障。另一方面，金属在过载时会逐渐屈服-因此，突然发生故障（如果设计正确）的可能性较小。

因此，对我来说，最大的问题一直是-如果我撞上CF自行车，我怎么会知道名声仍然具有结构完整性。

我是一名骑自行车的人和工程师，专门从事复合材料和粘合材料的早期职业生涯。分层风险的答案在于复合材料，其中纤维也沿z（厚度）尺寸延伸。这可以通过“编织”纤维结构来实现，其中纤维将各层连接/锁定在一起-然后将干纤维“编织物”固定在模具中，注入并固化液态树脂。据我所知，还没有制造商使用这种技术（价格昂贵-军事/航空预算类型的东西）。他们继续使用传统的预浸纤维铺层方法。一些制造商谈论在自行车车架中从一根管到另一根管“编织纤维”，但是我不认为这是通过更先进的制造技术进行的“编织”。

我实际上并不了解所有细节，但我知道碳纤维在某些方面倾向于结实而柔韧性，而在其他方面则不那么强。因此，当您用它构建框架时，可以将其正确对齐，以使该框架弯曲并吸收框架应有的工作方式中的震动，但是如果您对其施加了错误的压力（例如，将其侧向放下）混凝土曲线），可能会破裂。

但是，正如我先前的问题可能已经明确指出的那样，我实际上不确定:)