Вы когда-нибудь задумывались о различиях между однонаправленным и тканым углеродом? Не знаете, как используются «высокомодульные» волокна? Неясно, как на самом деле обеспечивается соблюдение требований? Ознакомьтесь с нашим пояснением к углеродному волокну, чтобы узнать больше о том, что означает каждый из этих терминов и что нужно для изготовления велосипедной рамы
В выпусках и обзорах упоминается так много терминов, что действительно не помешает небольшая распаковка - мы поговорили с Уиллом Ченом, менеджером по разработке композитов в Specialized, и Реджи Лундом, инженером по исследованиям и разработкам в Trek, и спросили некоторые из вопросов, которые могут возникнуть у вас об углеродном волокне:
- Высокие и низкие модули
- Однонаправленный против тканого
- Расписание простоя
- Техническое соответствие
- Смолы
Что такое карбоновая рама?
Несмотря на то, что мы всегда говорим об карбоновых рамах, на самом деле это никогда не чистый карбон - это всегда композитный материал, в котором для соединения углеродных волокон используются смолы.
Есть несколько разных способов сделать это. В настоящее время наиболее часто используемым процессом строительства является использование «препрега» из углеродного волокна. Это относится к углеродным листам, которые уже были пропитаны смолой и поэтому не требуют ее последующего нанесения в процессе производства.
В противном случае смола может быть нанесена во время строительства для просушки углеродных листов. Например, у TIME есть технология изготовления плетеной углеродной структуры (BCS), которая позволяет бренду использовать волокна Dyneema на биологической основе для повышения прочности конструкции рамы без ущерба для жесткости или веса..
При запуске своего гравийного велосипеда ADHX Time объяснил: «Высокие температуры, используемые для отверждения препреговых рам, превышают рекомендуемый максимум для волокон Dyneema.
«За счет укладки сухих волокон и последующего впрыска смолы под высоким давлением между жесткими внешними и внутренними формами устраняются воздушные карманы и пустоты».
Высокомодульные и низкомодульные углеродные волокна
Фраза, которая, возможно, чаще всего используется, когда речь идет об углеродной конструкции велосипедных рам, - это «высокомодульный» - но если у вас нет опыта в материаловедении, эта терминология может быть довольно непрозрачной, поэтому давайте немного раскроем ее..
Проще говоря, «модуль - это технический термин, обозначающий жесткость - насколько она будет растягиваться при приложении нагрузки», - объясняет Реджи из Trek. «[Другое] свойство, на которое обычно обращают внимание при работе с углеродным волокном, - это то, что мы называем прочностью - какую нагрузку оно может выдержать, прежде чем сломается».
Волокна, которые являются одновременно прочными (не ломаются) и жесткими (не сгибаются), были бы очевидным преимуществом, но, как и большинство вещей в жизни, это не так просто.
«Как правило, чем выше модуль, тем ниже прочность этих волокон», - отмечает Will of Specialized.
Подобно тому, как дерево, которое не гнется на ветру, в конце концов сломается, рама, изготовленная только из высокомодульного углеродного волокна, скорее всего, просто сломается.
Уилл продолжает: «В высокопрочных областях рамы мы могли бы использовать более стандартные и промежуточные [т.е. волокна с более низким модулем], и это даст нам оптимальную жесткость, прочность и вес конечного продукта».
Таким образом, во всех карбоновых велосипедах используется широкий спектр высокомодульных, среднемодульных волокон, а иногда и стандартных модульных волокон, и все дело в том, чтобы разместить волокна с высокой жесткостью и высокой прочностью там, где они нужны больше всего.
«Вероятно, мы используем смесь из шести-семи различных волокон, которые мы используем в любой высококачественной раме S-Works, потому что мы пытаемся очень тщательно оптимизировать эти характеристики прочности и жесткости», - говорит Уилл.
«Когда мы разрабатываем наши велосипеды, у нас есть около 12 различных вариантов нагрузки, которые мы должны пройти испытания, и два-три требования к жесткости. Все они создают разные нагрузки на раму в разных местах, поэтому очень важно выяснить, где использовать более высокомодульные волокна.
“Вся цель для нас состоит в том, чтобы достичь наших целей по жесткости и силе при минимально возможном весе, и поэтому, оптимизируя размещение этих волокон, мы можем в основном настроить эти ручки так, чтобы уменьшить вес или увеличить жесткости или увеличения прочности."
Точно так же, когда Trek выпустила обновленную Emonda в 2020 году, она сказала: «Мы установили [цель] для рамы менее 700 г, и нам нужен был новый материал, чтобы достичь этого.
“OCLV 700 не мог этого сделать… поэтому нам пришлось пойти и посмотреть, есть ли новые доступные материалы и процессы, которые мы могли бы использовать для достижения нашей цели.
«С точки зрения типа волокна OCLV 800 на 30% прочнее, чем материал, который мы использовали в OCLV 700».
Но дело не в том, что OCLV 800 является одним единственным однородным материалом - так же, как и OCLV 700, он по-прежнему использует комбинацию различных волокон, некоторые из которых имеют более высокий модуль, а некоторые - более высокую прочность, чтобы обеспечить баланс прочности. свойства, которые необходимы при таком меньшем весе.
Реджи добавил: «Мы сделали этот скачок [в силе], но это также был скачок в стоимости материалов, поэтому его повсеместное использование сильно увеличило бы стоимость, и это не всегда имеет смысл..”
Но что же делает одно углеродное волокно более прочным, а другое более высокомодульным? Что ж, все углеродные волокна начинаются из какого-то полимера, который, по сути, представляет собой длинную цепочку атомов углерода с другими элементами, такими как водород и кислород, выступающими по бокам. Затем полимер подвергают термообработке при очень высоких температурах, примерно от 1 500°C до 2 000°C.
«Что происходит, так это то, что вы избавляетесь от всех этих атомов кислорода и водорода, и у вас остаются только атомы углерода, которые имеют очень хорошую силу связи друг с другом», - объясняет Уилл.
Именно этот процесс термообработки определяет, является ли углеродное волокно высокомодульным или низкомодульным. «Чем выше температура [и] чем дольше вы их подвергаете термообработке, [это] сделает волокно еще более чистым и будет иметь лучшую углеродную кристаллическую структуру».
Это дает углероду более высокий модуль, но с учетом температуры и продолжительности работы, это также более дорого.
Однонаправленный и плетеный карбон
Посмотрите на переплетения инновационного трекового велосипеда Hope/Lotus
По сути, однонаправленный углерод имеет все волокна, идущие параллельно друг другу, и все они указывают в одном и том же одном направлении - однонаправленном, если хотите. С другой стороны, тканые ткани будут иметь углеродные волокна, которые идут как минимум в двух направлениях.
Тканые углеродные ткани могут выглядеть эстетично, но важно понимать их сильные и слабые стороны в различных областях применения.
«Каждая нить волокна имеет волнообразную форму, поскольку она проходит над и под волокнами, которые пересекают ее дорожку, и это фактически снижает производительность этих волокон», - объясняет Уилл. Все эти небольшие изгибы, когда углеродные волокна переплетаются друг с другом и друг под другом, снижают прочность волокон по сравнению с теми, которые просто тянутся прямо.
«Когда мы пытаемся создать велосипед с самыми высокими характеристиками, с точки зрения жесткости, прочности и веса, в первую очередь используются однонаправленные волокна, потому что они не имеют такого эффекта скручивания».
Однонаправленные углеродные волокна также, как правило, дают больше возможностей для реальной адаптации свойств велосипеда по сравнению с тканым углеродом. «С тканью [тканым материалом] вы начинаете с волокон в нулевом направлении и волокон в направлении 90», - отмечает Реджи, создавая классический вид «шахматной доски».
Но это означает, что только половина волокон направлена в каждом из этих двух направлений, что делает его менее прочным в данном направлении, чем лист углерода, все волокна которого направлены в одну сторону.
«Допустим, у вас есть стопка из 10 слоев [т.е. «слои» или «листы»], и вам нужно добавить еще один слой [слой], чтобы он прошел тестирование.
«Если бы у вас была ткань, она может не пройти, потому что у вас есть только половина тех [волокон, указывающих в направлении], которые вы хотели для этого последнего слоя. Но если бы у вас был еще один слой однонаправленного углерода, вы получили бы все волокна, которые хотели, в том одном направлении, в котором вы пытались увеличить его. С тканью вам фактически пришлось бы добавить второй слой, который добавляет больше веса. продукт.”
Тканый углерод также подвергается большей обработке, потому что вам нужно сплести его вместе, и Уилл отмечает, что это стоит дороже, и при этом более низкая производительность.
Это не значит, что Specialized и Trek не будут использовать тканые ткани. Говорят, что тканая ткань обрабатывается немного лучше, поэтому ее можно использовать, например, при сверлении отверстий для бобышек для бутылок с водой.
Trek объясняет: «Если вы проделаете дыру в этом одеяле, все эти перекрывающиеся волокна будут отскакивать, и это удерживает их от разрыва. В то время как если вы сделаете отверстие в однонаправленном волокне, оно может легко расколоться, и тогда этот раскол просто пойдет по этой линии.”
Тканые ткани также немного толще, поэтому, если они находятся в области, где необходимо увеличить толщину для достижения желаемых прочностных характеристик, Уилл говорит, что он может использовать тканые ткани для увеличения толщины в этих местах..
Тканые ткани также имеют то преимущество, что их можно драпировать по трехмерному контуру без растекания волокон, тогда как с однонаправленными волокнами в некоторых случаях вы можете столкнуться с такими ситуациями.
Trek объясняет: «Когда однонаправленное волокно пытается распространиться по сложной кривизне, иногда оно должно расходиться, и вы получаете промежутки».
“В то время как с тканью, поскольку она уже стегана вместе, когда она растягивается, она не собирается разделяться, и эти волокна могут немного двигаться относительно друг друга, что облегчает соответствие сложной форме..”
Расписание простоя
Помимо выбора сортов волокна, которые уравновешивают требуемые качества прочности и жесткости, ориентация и расположение волокон очень важны для получения наилучших характеристик материалов.
«График укладки - это, по сути, наше руководство по использованию всех отдельных слоев [«слоев» или «листов»] для создания каркаса», - резюмирует Уилл.
Trek говорит: «Большую часть времени инженеры тратят на то, чтобы определить, в каком направлении нам нужны эти волокна, чтобы [рама] могла выдержать необходимую нам нагрузку без необходимости добавлять какой-либо дополнительный материал».
Разработка графиков укладки - это та область, над которой Уилл работает большую часть своего времени: «Существует буквально бесконечное количество возможностей в отношении размера, размещения и углов волокна, которые вы хотите разместить на всей раме, чтобы максимально оптимизировать использование этих волокон.
“На любой раме, когда у вас есть 600 отдельных слоев и семь различных сортов волокон, которые вы можете использовать, все зависит от того, как они уложены в той или иной области рамы.
“Эти однонаправленные волокна могут быть предварительно сложены под углом плюс или минус 90 градусов, 45 градусов или 20 градусов, или они могут быть просто выровнены по нулям среди других углов волокна. Отдельный слой может работать на жесткость, но также и на прочность, поэтому крайне важно максимально использовать каждый слой в этом графике укладки».
В S-Works Roubaix от Specialized, например, нижняя труба, каретка и верхняя труба изготовлены из высокомодульного углеродного волокна E390, «которое является более жестким, чтобы предотвратить изгиб для лучшего передача мощности, - говорит Specialized, - в этой области в основном используются волокна с нулевым углом наклона, что делает ее чрезвычайно жесткой [в этом направлении].”
Итак, в чем разница между карбоновыми рамами Specialized 10r и 12r?
«У нас может быть два разных уровня простоя для данной модели Tarmac или Roubaix, и мы будем называть их 10r и 12r, чтобы разделить их», - отмечает Уилл. «Разница между укладками 10r и 12r заключается, прежде всего, в смеси волокон, которые мы используем».
В раме 12r используется больше высокомодульных волокон, которые также стоят значительно дороже, и Уилл говорит, что это помогает им достичь целевых показателей жесткости, но при меньшем весе.
Уилл говорит, что с 10r они могут достичь тех же показателей жесткости, но используя стандартные и промежуточные волокна модуля, а также некоторые высокомодульные волокна.
«Мы достигнем этого [того же целевого показателя жесткости] с немного большим снижением веса и при сохранении тех же ходовых характеристик», - говорит он.
Техническое соответствие
Пока мы рассмотрели, как оптимизировать прочность и жесткость рамы, что насчет обеспечения дополнительного комфорта? Вы должны брать те же принципы, но применять их по-разному.
Одним из способов повышения соответствия определенной области является использование различных сортов углеродного волокна.
«Если вы ищете более податливое ощущение, стандартные модульные волокна были бы лучшим выбором, чем высокомодульные волокна», - отмечает Уилл.
Приятно слышать, что для повышения комфорта на самом деле используется более дешевый углерод, чем более дорогие волокна с более высоким модулем упругости, используемые в гоночных рамах - вы почти ожидаете, что любое улучшение будет сопровождаться явной премией.
Но хотя выбор волокон имеет значение, Уилл говорит, что угол наклона волокон оказывает наибольшее влияние на податливость: «Если вы пытаетесь максимизировать жесткость и прочность, вам нужны эти углы волокна должны быть строго выровнены с этим путем нагрузки.
«Но мы также можем выровнять эти волокна под углом 10, 20, 45 или даже 90 градусов к этой траектории нагрузки, и это значительно повлияет на жесткость вдоль этой оси».
Раньше не было очень хорошей корреляции с жесткостью для разных размеров, так как производители велосипедов уделяли много времени разработке рам размером 56 см (средний размер), причем большие и меньшие размеры были просто расширениями этого среднего размера. простоя.
Но Уилл говорит, что это далеко от идеала: «В конечном итоге вы получите райдеров большого размера на таких крутых рамах, а этих маленьких райдеров на чрезвычайно жестких рамах».
Чтобы избежать этого, компания Specialized разработала то, что она называет "райдером прежде всего": модели велосипеда, мы на самом деле тратим столько же времени на разработку укладок, чтобы достичь этих целей жесткости как для самых маленьких, так и для самых крупных гонщиков.”
“Мы также идем дальше, чем просто различия в укладке. Даже физические формы трубок оптимизированы для самых больших и самых маленьких размеров.
“Stumpjumper EVO [горный велосипед] является хорошим примером того, что размеры верхней и нижней труб размеров S1 и S6 могут варьироваться от 6 до 10 мм, поэтому даже инженеры по композитам также очень тесно сотрудничаем с нашими дизайнерами и командой аналитиков, чтобы оптимизировать конечный результат для каждого размера».
Смолы
Несмотря на то, что необходимо учитывать характеристики углеродных волокон, другим ключевым компонентом является смола. Это жидкий полимер, который связывает волокна вместе, чтобы поддерживать форму углеродного каркаса.
«Для данного производителя, даже если у вас может быть от шести до семи различных сортов волокна, они будут использовать один и тот же тип смолы, и это важно, потому что в процессе отверждения, когда мы повышаем температуру углерода волокнистый препрег для отверждения смолы - мы хотим, чтобы вся смола в этой преформе отверждалась с одинаковой скоростью», - объясняет Уилл.
Specialized использует эпоксидную смолу, которая, по словам Уилла, дает им самую высокую прочность по сравнению с наиболее часто используемыми матричными системами на основе смолы.
“Есть некоторые добавки, некоторые загустители и некоторые эластификаторы, которые могут быть смешаны, чтобы попытаться улучшить некоторые характеристики, но я хотел бы подчеркнуть, что система смолы не является наиболее важной.
«Важно то, как эта смола связывается с отдельными волокнами, и эта граница между волокнами и смолой действительно важна, особенно для прочности наших композитных структур», - отмечает Уилл. «Наличие смолы, очень совместимой с обработкой поверхности волокна, безусловно, является наиболее важным аспектом поиска хорошей формулы смолы».