Pourquoi la fibre de carbone est-elle intrinsèquement faible? Ou est-ce?

Cette question m'a fait réfléchir: s'il était possible pour moi d'utiliser un cadre en carbone, je le ferais, mais les dépenses et mon style de conduite me permettent d'utiliser de l'acier et de l'aluminium. (J'aime transporter des trucs sur des supports et je ne suis pas un gars maigre.)

Je cherche une raison physique pour laquelle le carbone est un matériau faible et fragile, adapté aux vélos légers qui seront traités délicatement. Gardez à l'esprit, ils font des avions à partir de ces trucs!

Y a-t-il une raison pour laquelle la fibre de carbone doit être traitée avec des gants pour enfants? En quoi le matériau résiste-t-il à la légèreté et à la résistance? Ou, peut-être, la faiblesse du carbone est-elle un mythe, et tout dépend-elle de la construction actuelle des cadres de vélo en carbone?

La fibre de carbone n'est pas nécessairement un matériau "faible" ou "fragile". Si vous aviez un tube du même diamètre et de la même épaisseur de CF typique qu'un tube de cadre en acier typique, ce tube CF serait extrêmement solide et durable.

Les métaux comme l'acier et l'aluminium sont des matériaux isotropes. Cela signifie que leurs propriétés mécaniques sont identiques dans toutes les directions. Si vous avez un cube d'acier, il répondra de la même manière quelle que soit la direction dans laquelle vous tirez ou poussez.

La fibre de carbone est un matériau composite. Il se compose de tonnes de petits faisceaux de fibres maintenus ensemble avec un époxy.

Un bloc d'acier est bien comme de l'acier, mais la fibre de carbone est comme un gros paquet de pailles collées ensemble. Dans un sens, il est extrêmement solide, mais si vous poussez ou tirez sur le côté, il s'effondrera. Dans cette seule dimension où il est solide, il est beaucoup plus résistant que l'acier. Cependant, dans d'autres directions, c'est plutôt fragile.

Ainsi, les ingénieurs ont pu exploiter ces propriétés dans les cadres de vélos. Dans un cadre de bicyclette, la grande, la grande majorité des forces sont principalement le long d'une seule dimension. Ils peuvent rendre les tubes plus fins et plus légers tout en conservant la résistance et la rigidité souhaitées.

Donc, il n'y a aucune raison mécanique pour laquelle vous ne pourriez pas construire un vélo de tourisme entièrement chargé ou quelque chose comme une Salsa Fargo avec un cadre en carbone, et cela pourrait être tout aussi résistant et durable. Et il serait probablement plus léger qu'un cadre en acier ou en aluminium. Mais la raison pour laquelle cela n'est pas fait est à cause du marché. La fibre de carbone est un matériau coûteux et difficile à travailler, et ses propriétés mécaniques conviennent mieux lorsque vous exigez des applications très légères.

Lorsque vous construisez un vélo à cadre en acier, lorsque vous obtenez les tubes suffisamment solides sur toute leur longueur, qu'en raison des propriétés isotropes des aciers, vous obtenez gratuitement la résistance latérale, la résistance à résister aux chocs, à résister aux accidents, etc.

Dans un cadre en fibre de carbone, vous n'obtenez pas la force dans les autres dimensions, sauf si vous choisissez de le concevoir. ces domaines. Ils pourraient le faire, mais ils choisissent de ne pas le faire parce que ce n'est pas nécessaire pour l'usage prévu des vélos.

Lorsque vous construisez un vélo lourd, vous perdez beaucoup des avantages des fibres de carbone, et il serait donc beaucoup plus économique d'utiliser de l'acier ou de l'aluminium. Surtout lorsque vous jetez quelques bouteilles d'eau remplies dans votre sacoche, cela dépasse presque les économies de poids.

Tout d'abord un avertissement: la plupart de ce que je sais sur la fabrication de fibre de carbone provient d'avions, pas de vélos. Notez également que la fibre de carbone n'est pas le seul composite utilisé - juste pour une alternative, les fibres de Kevlar peuvent également être utiles (le Kevlar est plus résistant, mais aussi plus flexible que le carbone).

La fibre de carbone est solide, mais ne répond pas bien aux contraintes ponctuelles . C'est en grande partie parce que c'est essentiellement du tissu (tissé à partir de fibres de carbone). Si vous mettez beaucoup de stress en un seul point, vous ne mettez ce stress que sur quelques-unes de ces fibres de carbone. Alors que les fibres elles-mêmes sont extrêmement solides (pour leur poids), la liaison qui maintient les fibres individuelles ensemble est beaucoup plus faible. À titre de comparaison, pensez au ruban d'emballage qui a des fibres de fibre de verre sur toute sa longueur. La fibre de verre elle-même est vraiment solide, mais la bande de plastique et le "goo" qui les maintient ensemble sont beaucoup plus faibles. Bien que les détails diffèrent, la même idée générale s'applique également à la fibre de carbone.

La force exacte dépend également de la direction. Comme je l'ai dit ci-dessus, la fibre de carbone commence comme un fil essentiellement tissé en tissu. Le tissu est ensuite imprégné d'une sorte d'époxy (l'époxy exact utilisé varie selon l'application), déposé dans un moule, emballé sous vide ¹ , puis cuit pour durcir l'époxy. Vous pouvez obtenir le tissu dans différents tissus, certains avec la même quantité de fibre de carbone dans chaque direction, d'autres avec (disons) 80% de fibre de carbone dans une direction, et seulement 20% dans l'autre direction. À une supposition, la plupart des CF utilisés dans un cadre de vélo sont probablement quelque part plus proches de cette dernière variété, avec la plupart des fils s'étendant sur la longueur d'un tube, et considérablement moins sur la circonférence du tube.

Tant que nous y sommes: le carbone est également environ deux fois plus résistant à l'étirement qu'à la compression. Vous aurez généralement environ deux fois plus de plis où il est principalement soumis à une charge de compression.

¹ L'ensachage sous vide signifie qu'un grand sac en plastique est placé autour du moule et du chiffon et l'air est aspiré. La pression de l'air à l'extérieur maintient les couches de tissu fermement ensemble pour (essayer de) s'assurer que lorsqu'elles sont cuites, elles agissent comme une seule couche, et non comme des couches séparées. Cela a peu d'effet sur la résistance lorsqu'il est soumis à un étirement, mais un effet énorme lorsqu'il est soumis à une compression ou à une flexion.

La fibre de carbone est un matériau très solide, mais comme tout matériau, elle fait certaines choses mieux que d'autres. De Wikipédia :

La fibre de carbone est très résistante lorsqu'elle est étirée ou pliée, mais faible lorsqu'elle est comprimée ou exposée à un choc élevé (par exemple, une barre en fibre de carbone est extrêmement difficile à plier, mais se fissurera facilement si elle est frappée avec un marteau).

Étant donné qu'un cadre en fibre de carbone peut supporter le poids d'un cycliste ainsi que toutes les forces qu'un cycliste ajoute (qui peuvent dépasser plusieurs fois leur poids corporel), il n'est en aucun cas faible. Tout cela pour moins que le poids d'un cadre comparable en aluminium ou en acier.

Mais certains types de forces - comme les chocs violents - peuvent endommager les fibres et l'époxy affaiblissant le matériau, ce qui est moins probable avec un métal. Et une petite pince peut écraser un tube CF, si la force est suffisante (vous pouvez aussi le faire avec des tubes en aluminium à paroi mince, mais cela demande plus d'efforts).

Je pense qu'il convient également de souligner que si la fibre de carbone peut être étoffée pour être beaucoup plus résistante, elle n'est pas du tout ductile, comme l'acier ou (dans une moindre mesure) l'aluminium. Vous pouvez mettre une bosselure de assez bonne taille dans un cadre métallique et toujours la rentrer à la maison, mais si vous mettez une bosselure en fibre de carbone, vous avez probablement compromis tout le tube au point que vous ne devriez probablement pas y monter. C'est juste beaucoup plus fragile, donc la déformation signifie la rupture, alors que dans les métaux, cela signifie généralement que quelque chose est étiré ou compressé, ce qui fait moins de mal à l'intégrité structurelle.

Un peu tard pour la fête, mais voici ce qui m'arrive: comme indiqué ci-dessus, une méthode de fabrication courante des cadres CF implique le "dépôt" de plusieurs couches de fibres imprégnées de résine d'orientations différentes pour optimiser les caractéristiques de résistance en fonction des charges attendues et des performances requises du cadre (par exemple rigide vs souple / flexible). En ce sens, CF peut être plus précisément adapté à un ensemble d'exigences pour le poids le plus léger. Comme pour tout problème d'ingénierie, il y a des compromis. Chaque couche est essentiellement bidimensionnelle (pensez aux axes x et y pour une feuille plate), la troisième dimension, l'épaisseur (pensez à l'axe z) est juste l'accumulation de couches de fibres mais n'a pas de résistance des fibres en soi, seulement la résistance du matrice de résine qui maintient toutes les fibres ensemble. C'est donc à travers l'épaisseur du matériau que les structures composites CF sont les plus faibles. Et un mode de défaillance commun est connu sous le nom de délaminage (la liaison entre les couches échoue). Cela peut se produire par un coup porté à la surface et tout délaminage à l'intérieur des couches ne sera pas visible de l'extérieur. Seules les analyses peuvent détecter l'étendue des dommages - la méthode low-tech implique de taper sur la surface et d'écouter tout changement de ton des touches - elle nécessite une oreille entraînée et il est moins évident pour le profane de faire la différence entre un changement de ton en raison d'un délaminage par rapport à un changement de la couche sous-jacente (couches extr près des jointures, etc.). Cela peut se produire par un coup porté à la surface et tout délaminage à l'intérieur des couches ne sera pas visible de l'extérieur. Seules les analyses peuvent détecter l'étendue des dommages - la méthode low-tech implique de taper sur la surface et d'écouter tout changement de ton des touches - elle nécessite une oreille entraînée et il est moins évident pour le profane de faire la différence entre un changement de ton en raison d'un délaminage par rapport à un changement de la couche sous-jacente (couches extr près des jointures, etc.). Cela peut se produire par un coup porté à la surface et tout délaminage à l'intérieur des couches ne sera pas visible de l'extérieur. Seules les analyses peuvent détecter l'étendue des dommages - la méthode low-tech implique de taper sur la surface et d'écouter tout changement de ton des touches - elle nécessite une oreille entraînée et il est moins évident pour le profane de faire la différence entre un changement de ton en raison d'un délaminage par rapport à un changement de la couche sous-jacente (couches extr près des jointures, etc.).

Le délaminage est le point faible des cadres CF et pourquoi, à mon avis, ils peuvent être décrits comme "forts" mais PAS "durs" ou "résistants aux dommages". Étant donné que tout vieux coup pourrait compromettre la résistance du cadre et entraîner une défaillance catastrophique soudaine et inattendue. D'un autre côté, le métal cède progressivement lorsqu'il est surchargé - donc une défaillance soudaine (s'il est correctement conçu) est moins susceptible de se produire.

Donc, la grande question pour moi a toujours été - si je plante un vélo CF, comment saurai-je que la renommée a toujours une intégrité structurelle.

Je parle en tant que cycliste et ingénieur spécialisé dans mes débuts de carrière dans les matériaux composites et collés. La réponse au risque de délaminage réside dans les matériaux composites où les fibres passent également dans la dimension z (épaisseur). Cela peut être obtenu grâce à des structures de fibres "tricotées" où les fibres relient / bloquent les couches ensemble - la fibre sèche "tricotée" est ensuite maintenue dans un moule et une résine liquide injectée et durcie. Pour autant que je sache, aucun fabricant n'utilise encore cette technique (coûteuse - type de budget militaire / aérospatial). Ils continuent avec la méthode traditionnelle de superposition de fibres pré-imprégnées. Certains fabricants parlent de «tisser les fibres ensemble» d'un tube à l'autre dans un cadre de vélo, mais je ne pense pas que ce soit le «tricotage» à travers les couches d'une technique de fabrication plus avancée.

Je ne connais pas vraiment tous les détails, mais je sais que la fibre de carbone a tendance à être solide et flexible dans certaines directions, et pas très forte dans d'autres. Donc, lorsque vous construisez un cadre à partir de celui-ci, vous pouvez l'aligner juste pour que le cadre soit courbé et absorbe les chocs de la manière dont les cadres sont censés fonctionner, mais si vous lui appliquez la mauvaise pression (par exemple, déposez-le latéralement sur une courbe en béton), il pourrait se fissurer.

Mais, comme cela a peut-être été précisé par ma question précédente , je ne suis pas vraiment sûr :)