Warum ist Kohlefaser von Natur aus schwach? Oder ist sie es?

Kohlefaser ist nicht unbedingt ein “schwaches” oder “zerbrechliches” Material. Wenn Sie ein Rohr mit dem gleichen Durchmesser und der gleichen Dicke von typischem CF wie ein typisches Stahlrahmenrohr hätten, wäre dieses CF-Rohr extrem stark und haltbar.

Metalle wie Stahl und Aluminium sind isotrope Materialien. Das heißt, ihre mechanischen Eigenschaften sind in allen Richtungen identisch. Wenn Sie einen Würfel aus Stahl haben, reagiert er auf die gleiche Weise, egal in welche Richtung Sie daran ziehen oder drücken.

Kohlefaser ist ein Verbundwerkstoff. Es besteht aus Tonnen von kleinen Faserbündeln, die mit einem Epoxidharz zusammengehalten werden.

Ein Stahlblock ist, nun ja, wie Stahl, aber Kohlefaser ist wie ein großes Bündel zusammengeklebter Strohhalme. In einer Richtung ist es extrem stark, aber wenn man es zur Seite drückt oder zieht, bricht es zusammen. In dieser einen Dimension, in der sie stark ist, ist sie wesentlich stärker als Stahl. In den anderen Richtungen ist es jedoch eher schwach.

So konnten Ingenieure diese Eigenschaften in Fahrradrahmen ausnutzen. In einem Fahrradrahmen wirkt der größte Teil der Kräfte primär in einer einzigen Dimension. Sie können die Rohre dünner und leichter machen und trotzdem die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit beibehalten.

Es gibt also keinen mechanischen Grund, warum man ein voll beladenes Tourenrad oder etwas wie ein Salsa Fargo nicht mit einem Carbonrahmen bauen könnte, und es könnte genauso robust und langlebig sein. Und es wäre wahrscheinlich leichter als ein Stahl- oder Aluminiumrahmen. Aber der Grund, warum es nicht gemacht wird, ist der Markt. Kohlefaser ist ein teures und schwer zu bearbeitendes Material, und seine mechanischen Eigenschaften eignen sich am besten für sehr leichte Anwendungen.

Wenn Sie ein Fahrrad mit Stahlrahmen bauen, erhalten Sie aufgrund der isotropen Eigenschaften des Stahls die seitliche Festigkeit umsonst, die Festigkeit, um Dingen zu widerstehen, die dagegen stoßen, Stürze zu überstehen usw.

Bei einem Kohlefaserrahmen erhalten Sie die Festigkeit in den anderen Dimensionen nicht, es sei denn, Sie entschließen sich, sie einzubauen. Bei Fahrrädern aus Kohlefaser, bei denen das Gewicht ein ernsthaftes Problem darstellt, wurde die Entscheidung getroffen, die Rahmen in diesen Bereichen nicht stark zu machen. Sie könnten es tun, aber sie entscheiden sich dagegen, weil es für den beabsichtigten Zweck des Fahrrads nicht notwendig ist.

Wenn Sie ein schwer beladenes Fahrrad bauen, verlieren Sie eine Menge der Vorteile der Kohlefasern, und es wäre daher viel wirtschaftlicher, Stahl oder Aluminium zu verwenden. Vor allem, wenn man ein paar gefüllte Wasserflaschen in die Gepäcktasche wirft, übersteigt das fast die Gewichtsersparnis.

Zunächst ein Disclaimer: Das meiste, was ich über die Herstellung von Kohlefasern weiß, stammt aus dem Flugzeugbau, nicht von Fahrrädern. Beachten Sie auch, dass Kohlefaser nicht der einzige Verbundwerkstoff ist, der verwendet wird - nur als eine Alternative können auch Kevlarfasern nützlich sein (Kevlar ist stärker, aber auch flexibler als Kohlefaser).

Kohlefaser ist stark, reagiert aber nicht gut auf Punktbelastungen. Das liegt vor allem daran, dass es sich im Grunde um ein Gewebe handelt (gewebt aus Kohlenstofffasern). Wenn Sie eine große Belastung auf einen einzelnen Punkt ausüben, wird diese Belastung nur auf einige wenige dieser Kohlenstofffasern ausgeübt. Während die Fasern selbst extrem stark sind (für ihr Gewicht), ist die Bindung, die die einzelnen Fasern zusammenhält, viel schwächer. Denken Sie zum Vergleich an ein Packband, bei dem Glasfasern entlang der Länge verlaufen. Die Glasfasern selbst sind sehr stark, aber der Streifen aus Kunststoff und “Glibber”, der sie zusammenhält, ist viel schwächer. Obwohl sich die Details unterscheiden, gilt die gleiche allgemeine Idee auch für Kohlefasern.

Die genaue Stärke hängt auch von der Richtung ab. Wie ich bereits oben erwähnt habe, besteht die Kohlefaser zunächst aus Fäden, die zu einem Gewebe verwoben werden. Das Gewebe wird dann mit einer Art Epoxidharz imprägniert (das genaue Epoxidharz variiert je nach Anwendung), in eine Form gelegt, vakuumverpackt1 und dann gebacken, um das Epoxidharz zu härten. Sie können das Gewebe in verschiedenen Webarten erhalten, einige mit dem gleichen Anteil an Kohlefasern in jeder Richtung, andere mit (sagen wir) 80% der Kohlefasern in einer Richtung und nur 20% in der anderen Richtung. Ich schätze, dass das meiste CF, das in einem Fahrradrahmen verwendet wird, eher der letzteren Variante entspricht, bei der die meisten Fäden entlang der Länge eines Rohrs verlaufen und deutlich weniger um den Umfang des Rohrs herum.

Wenn wir schon dabei sind: Carbon ist auch etwa doppelt so stark, wenn es gedehnt wie gestaucht wird. Typischerweise hat man etwa doppelt so viele Lagen dort, wo es hauptsächlich einer Druckbelastung ausgesetzt ist.

1 Bei der Vakuumverpackung wird ein großer Plastiksack um die Form und das aufgelegte Gewebe gelegt und die Luft abgesaugt. Der Luftdruck auf der Außenseite hält die Stoffschichten fest zusammen, um (zu versuchen) sicherzustellen, dass sie beim Backen als eine einzige Schicht wirken und nicht als getrennte Schichten. Dies hat wenig Einfluss auf die Festigkeit bei Dehnung, aber einen großen Effekt bei Kompression oder Biegung.

Kohlefaser ist ein sehr starkes Material, aber wie jedes Material macht es einige Dinge besser als andere. Aus Wikipedia :

Kohlefaser ist sehr stark, wenn sie gedehnt oder gebogen wird, aber schwach, wenn sie zusammengedrückt oder starken Stößen ausgesetzt wird (z.B. lässt sich ein Kohlefaserstab extrem schwer biegen, aber er bricht leicht, wenn er mit einem Hammer geschlagen wird).

Wenn man bedenkt, dass ein Kohlefaserrahmen das Gewicht eines Fahrers plus alle Kräfte, die ein Fahrer hinzufügt (die ein Vielfaches seines Körpergewichts betragen können), tragen kann, ist er keineswegs schwach. All dies für weniger als das Gewicht eines vergleichbaren Aluminium- oder Stahlrahmens.

Aber bestimmte Arten von Kräften - wie scharfe Stöße - können die Fasern und das Epoxidharz beschädigen und das Material schwächen, was bei Metall weniger wahrscheinlich ist. Und eine kleine Schelle kann ein CF-Rohr bei ausreichender Kraft zerdrücken (das kann man auch mit dünnwandigen Aluminiumrohren machen, aber es erfordert mehr Kraftaufwand).

Ich denke, es ist auch erwähnenswert, dass Kohlefaser zwar sehr stark sein kann, aber nicht so dehnbar ist wie Stahl oder (in geringerem Maße) Aluminium. Sie können eine ziemlich große Delle in einen Metallrahmen machen und immer noch damit fahren, aber wenn Sie eine Delle in Kohlefaser machen, haben Sie wahrscheinlich das ganze Rohr so weit beschädigt, dass Sie wahrscheinlich nicht damit fahren sollten. Es ist einfach viel spröder, also bedeutet Verformung Bruch, während es bei Metallen normalerweise bedeutet, dass etwas gedehnt oder gestaucht wird, was die strukturelle Integrität vergleichsweise weniger verletzt.

Wie bereits erwähnt, werden bei der Herstellung von CF-Rahmen üblicherweise mehrere Lagen harzgetränkter Fasern mit unterschiedlichen Ausrichtungen “geschichtet”, um die Festigkeitseigenschaften entsprechend den erwarteten Belastungen und der erforderlichen Leistung des Rahmens zu optimieren (z. B. starr vs. geschmeidig/flexibel). In diesem Sinne kann CF genauer auf eine Reihe von Anforderungen an das geringste Gewicht zugeschnitten werden. Wie bei jedem technischen Problem gibt es Kompromisse. Jede Schicht ist im Wesentlichen zweidimensional (denken Sie an die x- und y-Achse bei einem flachen Blatt), die dritte Dimension, die Dicke (denken Sie an die z-Achse), ist nur die Ansammlung von Faserschichten, hat aber keine Faserfestigkeit an sich, sondern nur die Festigkeit der Harzmatrix, die alle Fasern zusammenhält. Es ist also die Dicke des Materials, die CF-Verbundstrukturen am schwächsten macht. Eine häufige Art des Versagens ist die Delamination (die Verbindung zwischen den Schichten versagt). Dies kann durch einen Schlag auf die Oberfläche geschehen, und jede Delamination innerhalb der Schichten ist von außen nicht sichtbar. Die Low-Tech-Methode besteht darin, auf die Oberfläche zu klopfen und auf Klangveränderungen der Klopfgeräusche zu achten - dies erfordert ein geschultes Gehör und ist für den Laien weniger offensichtlich, um eine Klangveränderung aufgrund einer Delamination von einer Veränderung des darunter liegenden Aufbaus (z.B. Extraschichten in der Nähe von Verbindungsstellen usw.) zu unterscheiden.

Delamination ist die Schwachstelle von CF-Rahmen und der Grund, warum sie meiner Meinung nach als “stark”, aber NICHT als “zäh” oder “widerstandsfähig gegen Beschädigungen” bezeichnet werden können. Denn jeder alte Knall könnte die Festigkeit des Rahmens gefährden und zu einem unerwarteten, plötzlichen, katastrophalen Versagen führen. Metall hingegen gibt bei Überlastung allmählich nach - daher ist ein plötzliches Versagen (wenn es richtig konstruiert ist) weniger wahrscheinlich.

Die große Frage für mich war also immer - wenn ich einen Sturz mit einem CF-Rad verursache, woher weiß ich, dass der Rahmen noch strukturelle Integrität hat.

Ich spreche als Radfahrer und Ingenieur, der sich in meiner frühen Karriere auf Verbundwerkstoffe und geklebte Materialien spezialisiert hat. Die Antwort auf das Risiko der Delamination liegt in Verbundwerkstoffen, bei denen die Fasern auch in der z-Dimension (Dicke) verlaufen. Dies kann durch “gestrickte” Faserstrukturen erreicht werden, bei denen Fasern die Schichten miteinander verbinden/verriegeln - das trockene Faser-“Gestrick” wird dann in einer Form gehalten und flüssiges Harz injiziert und ausgehärtet. Soweit mir bekannt ist, verwendet noch kein Hersteller diese Technik (kostspielig - Militär-/Luft- und Raumfahrt-Budgetmaterial). Sie fahren mit der traditionellen Methode des Auflegens von vorimprägnierten Fasern fort. Einige Hersteller sprechen vom “Zusammenweben von Fasern” von einem Rohr zum anderen in einem Fahrradrahmen, aber ich glaube nicht, dass dies das “Stricken” durch die Schichten einer fortschrittlicheren Fertigungstechnik ist.

Ich kenne nicht alle Details, aber ich weiß, dass Kohlefaser dazu neigt, in einigen Richtungen stark und flexibel zu sein, und in anderen nicht sehr stark. Wenn Sie also einen Rahmen daraus bauen, können Sie ihn genau richtig ausrichten, so dass der Rahmen biegsam ist und Stöße auf die Art und Weise absorbiert, wie Rahmen funktionieren sollen, aber wenn Sie den falschen Druck auf ihn ausüben (sagen wir, ihn seitlich auf eine Betonkurve fallen lassen), könnte er brechen.

Aber, wie vielleicht durch meine vorherige Frage deutlich wurde, bin ich mir nicht wirklich sicher :)