Waarom is de koolstofvezel inherent zwak? Of is het dat?

Koolstofvezel is niet noodzakelijkerwijs een “zwak” of “kwetsbaar” materiaal. Als je een buis had met dezelfde diameter en dikte van typisch CF als een typische stalen framebuis, zou die CF-buis extreem sterk en duurzaam zijn.

Metalen zoals staal en aluminium zijn isotrope materialen. Dat betekent dat hun mechanische eigenschappen in alle richtingen identiek zijn. Als je een blokje staal hebt, zal het op dezelfde manier reageren, ongeacht in welke richting je het trekt of duwt.

Koolstofvezel is een composiet materiaal. Het bestaat uit tonnen kleine bundeltjes van de vezels die samengehouden worden met een epoxy.

Een blokje staal is, nou ja, net als staal, maar koolstofvezel is als een grote bundel aan elkaar gelijmde rietjes. In één richting is het extreem sterk, maar als je naar de zijkant duwt of trekt zal het instorten. In die ene dimensie waar het sterk is, is het veel sterker dan staal. In andere richtingen is het echter nogal broos.

Dus hebben ingenieurs die eigenschappen in fietsframes kunnen uitbuiten. In een fietsframe zitten de overgrote meerderheid van de krachten in de eerste plaats langs één dimensie. Ze kunnen de buizen dunner en lichter maken en toch de gewenste sterkte en stijfheid behouden.

Er is dus geen enkele mechanische reden waarom je geen volledig belaste toerfiets of zoiets als een Salsa Fargo met een carbonframe zou kunnen bouwen, en het zou net zo taai en duurzaam kunnen zijn. En hij zou waarschijnlijk lichter zijn dan een stalen of aluminium frame. Maar de reden dat het niet gedaan is, is vanwege de markt. Koolstofvezel is een duur materiaal en moeilijk om mee te werken, en de mechanische eigenschappen zijn het meest geschikt voor wanneer je zeer lichte toepassingen eist.

Wanneer je een fiets met een stalen frame bouwt, wanneer je de buizen voldoende sterk krijgt over hun lengte, dat je door de isotrope eigenschappen van staal gratis de zijdelingse kracht krijgt, de kracht om dingen te weerstaan die er tegenaan slaan, om crashes te weerstaan, etc.

In een carbonframe krijg je de kracht niet in de andere dimensies, tenzij je ervoor kiest om het in te ontwerpen. Bij carbon fietsen, waar het gewicht een serieuze zorg is, is de technische beslissing genomen om de frames niet sterk te maken in die gebieden. Dat zou kunnen, maar ze kiezen er niet voor omdat het niet nodig is voor het beoogde doel van de fiets.

Wanneer je een zwaar beladen fiets bouwt, verlies je veel van de voordelen van carbonvezels, en dus zou het veel zuiniger zijn om staal of aluminium te gebruiken. Vooral wanneer je een paar gevulde waterflessen in je fietstas gooit, overtreft dat bijna de gewichtsbesparing.

Eerst een disclaimer: het meeste van wat ik weet over koolstofvezelproductie komt uit vliegtuigen, niet fietsen. Merk ook op dat koolstofvezel niet de enige composiet is die gebruikt wordt – alleen voor een alternatief kunnen Kevlar-vezels ook nuttig zijn (Kevlar is sterker, maar ook flexibeler dan koolstof).

Koolstofvezel is sterk, maar reageert niet goed op punt spanningen. Dit komt grotendeels omdat het in principe doek is (geweven uit koolstofvezels). Als je veel spanning op een enkel punt zet, zet je die spanning op slechts een paar van die koolstofvezels. Terwijl de vezels zelf extreem sterk zijn (voor hun gewicht), is de binding die de individuele vezels bij elkaar houdt veel zwakker. Ter vergelijking, denk aan de verpakkingstape met glasvezelvezels in de lengte. De glasvezel zelf is echt sterk, maar de strook plastic en “goo” die ze bij elkaar houdt is veel zwakker. Hoewel de details verschillen, geldt hetzelfde algemene idee ook voor koolstofvezel.

De exacte sterkte hangt ook af van de richting. Zoals ik al zei, koolstofvezel begint in principe als een draad die tot doek wordt geweven. Het doek wordt dan geïmpregneerd met een soort epoxy (de exacte epoxy die gebruikt wordt varieert met de toepassing), in een mal gelegd, vacuüm verpakt1 en vervolgens gebakken om de epoxy uit te harden. Je kunt het doek in verschillende weefsels krijgen, sommige met dezelfde hoeveelheid koolstofvezel die in elke richting loopt, andere met (zeg) 80% van de koolstofvezel in de ene richting, en slechts 20% in de andere richting. Bij wijze van gok is het grootste deel van de CF die in een fietsframe wordt gebruikt waarschijnlijk ergens dichter bij de laatste variant, waarbij de meeste draden over de lengte van een buis lopen, en aanzienlijk minder rond de omtrek van de buis.

Zolang we het maar doen: carbon is ook ongeveer twee keer zo sterk ten opzichte van uitgerekt worden als gecomprimeerd worden. Je hebt meestal ongeveer twee keer zoveel lagen waar het voornamelijk wordt samengeperst.

1 Vacuümzakken betekent dat er een grote plastic zak om de mal en het opgehangen doek wordt geplaatst, en dat de lucht eruit gezogen wordt. De luchtdruk aan de buitenzijde houdt de doeklagen dicht bij elkaar om ervoor te (proberen) zorgen dat ze bij het bakken als één enkele laag werken en niet als afzonderlijke lagen. Dit heeft weinig effect op de sterkte bij uitrekking, maar een enorm effect bij samendrukking of buiging.

Koolstofvezel is een zeer sterk materiaal, maar net als elk ander materiaal doet het sommige dingen beter dan andere. Uit Wikipedia :

Koolstofvezel is zeer sterk wanneer het wordt uitgerekt of gebogen, maar zwak wanneer het wordt samengedrukt of blootgesteld aan hoge schokken (bijvoorbeeld een koolstofvezelstaaf is extreem moeilijk te buigen, maar zal gemakkelijk barsten als het met een hamer wordt geraakt).

Aangezien een koolstofvezelframe het gewicht van een ruiter kan dragen plus alle krachten die een ruiter toevoegt (die meerdere malen zijn lichaamsgewicht kunnen overschrijden) is het in geen geval zwak. Dit alles voor minder dan het gewicht van een vergelijkbaar aluminium of stalen frame.

Maar bepaalde soorten krachten - zoals scherpe stoten - kunnen de vezels beschadigen en epoxy verzwakken het materiaal, iets wat minder waarschijnlijk is met een metaal. En een kleine klem kan een CF-buis verpletteren, gezien genoeg kracht (u kunt dit ook doen met dunwandige aluminiumbuis, maar het vergt meer inspanning).

Ik denk dat het ook de moeite waard is om erop te wijzen dat koolstofvezel weliswaar kan worden gelegd om voldoende sterk te zijn, maar dat het helemaal niet buigzaam is, zoals staal of (in mindere mate) aluminium. Je kunt een vrij grote deuk in een metalen frame maken en toch naar huis rijden, maar als je een deuk in koolstofvezel maakt heb je waarschijnlijk de hele buis zo ver gecompromitteerd dat je er waarschijnlijk niet meer op moet rijden. Het is gewoon een stuk brozer, dus vervorming betekent breken, waar het in metalen meestal betekent dat iets uitgerekt of samengeperst is, wat relatief minder schadelijk is voor de structurele integriteit.

Beetje laat voor de partij, maar hier is mijn ha'penneth: Zoals hierboven vermeld, bestaat een gemeenschappelijke productiemethode van CF-frames uit “lay-up” meerdere lagen met hars geïmpregneerde vezels met verschillende oriëntaties om de sterkte-eigenschappen te optimaliseren in overeenstemming met de verwachte belastingen en de vereiste prestaties van het frame (bijv. stijf vs. soepel/flexibel). In die zin kan CF nauwkeuriger worden afgestemd op een reeks vereisten voor het lichtste gewicht. Zoals bij elk engineeringprobleem zijn er compromissen. Elke laag is in wezen tweedimensionaal (denk x en y-as voor een vlakke plaat), de derde dimensie, dikte (denk z-as) is slechts de opeenhoping van lagen vezels, maar heeft geen enkele vezelsterkte op zich, alleen de sterkte van de harsmatrix die alle vezels bij elkaar houdt. Het is dus door de dikte van het materiaal dat de CF-composietstructuren het zwakst zijn. En een veel voorkomende manier van falen staat bekend als delaminatie (de binding tussen de lagen faalt). Dit kan gebeuren door een klap op het oppervlak en eventuele delaminatie binnen de lagen zal niet uitwendig zichtbaar zijn. Alleen scans kunnen de omvang van eventuele schade detecteren - de low-tech methode houdt in dat er op het oppervlak wordt getikt en dat er wordt geluisterd naar eventuele veranderingen in de toon van de kranen - het vereist wel een getraind oor en is minder duidelijk voor de leek om onderscheid te maken tussen een verandering in toon als gevolg van een delaminatie versus bijvoorbeeld een verandering in de onderliggende layup (extr lagen bij verbindingen etc…).

Delaminatie is de zwakke plek van CF-frames en waarom ze naar mijn mening kunnen worden omschreven als “sterk” maar NIET “taai” of “veerkrachtig tegen schade”. Aangezien elke oude knal de sterkte van het frame in gevaar zou kunnen brengen en tot een onverwachte catastrofale mislukking zou kunnen leiden. Metaal daarentegen levert bij overbelasting geleidelijk op - dus plotselinge uitval (indien correct ontworpen) is minder waarschijnlijk.

De grote vraag voor mij is dus altijd geweest - als ik een CF fiets val, hoe weet ik dan dat de roem nog steeds structureel integer is.

Ik spreek als fietser en ingenieur die zich in mijn vroege carrière heeft gespecialiseerd in composiet en gelijmde materialen. Het antwoord op het risico van delaminatie ligt in composietmaterialen waarbij vezels ook in de z (dikte) dimensie lopen. Dit kan worden bereikt door “gebreide” vezelstructuren waarbij vezels de lagen met elkaar verbinden/vastzetten - de droge vezel “brei” wordt dan in een mal gehouden en met vloeibare hars geïnjecteerd en uitgehard. Voor zover ik weet maakt nog geen enkele fabrikant gebruik van deze techniek (duur - militair/ruimtevaart budget type spul). Ze gaan verder met de traditionele lay-up van voorgeïmpregneerde vezels methode. Sommige fabrikanten hebben het over het “samenweven van vezels” van de ene buis naar de andere in een fietsframe, maar ik denk niet dat dit het “breien” is door de lagen van een meer geavanceerde fabricagetechniek.

Ik ken eigenlijk niet de volledige details, maar ik weet dat Carbon Fiber in sommige richtingen sterk en flexibel is, en in andere niet erg sterk. Dus als je er een frame van bouwt, kun je het precies goed uitlijnen, zodat het frame buigzaam is en schokken absorbeert in de manier waarop frames moeten werken, maar als je er de verkeerde druk op uitoefent (laat het bijvoorbeeld zijwaarts op een betonnen bocht vallen), kan het scheuren.

Maar, zoals misschien duidelijk werd gemaakt door mijn vorige vraag , weet ik het eigenlijk niet zeker :)