Rude_Boy — Металлургия для велосипедистов от Скота Никола, часть 5

МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 5
 
ОГРОМНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ УГЛЕВОЛОКНА
 
Если вы прочитали предыдущие части этой серии о велосипедной металлургии, то узнали многое о важных физических свойствах алюминия, титана и стали, которые нужно принимать во внимание при проектировании рам из этих материалов. В этой части мы выйдем за пределы железной реальности и рассмотрим мир композитных материалов на основе углеродного волокна применительно к велосипедным рамам.

ЧУДЕСНЫЙ МИР КОМПОЗИТОВ
Термины «углеродное волокно» и «композит» употребляются как взаимозаменяемые, хотя не все композиты являются углеволокном. Например, и фанера, и бетон – композитные материалы. Термин «композит» обозначает комбинацию материалов, которая позволяет добиться улучшенных свойств, отсутствующих у материалов по-отдельности (бетон – композит из цемента, песка, щебня и воды, салат оливье – композит из майонеза, гороха, кишечной палочки и традиций).
 
Говоря по-научному, под композитами понимают материалы, в которых какие-либо частицы, короткие или длинные волокна распределены в матрице. Так, в Duralcan’е, композите с металлической матрицей, применяемом в Specialized M2, короткие волокна оксида алюминия распределены в металлической матрице из 6061. В случае же улучшенных (advanced) композитов, применяемых в велостроении, длинные волокна встроены в матрицу (как правило, эпоксидную смолу). Когда говорят «улучшенный композит», как правило, подразумевают, что волокна длинные, их объёмная доля составляет 50%, и они имеют механические свойства лучше, чем у стекловолокна. Волокна могут быть из углерода, кевлара (он же арамид), бора, керамики, карбида кремния, кварца, полиэтилена… и других материалов, о которых я не знаю.
 
ПРОСТАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ
Упрощённое объяснение терминологии, которая будет употребляться. Волокно – одиночная нить усиливающего материала. Длинные волокна располагаются параллельно в виде пучка и соединяются друг с другом при помощи клея, или матрицы (matrix). Одиночная «укладка» подобной матрицы называется слоем (ply), несколько слоёв формируют ламинат (laminate). Слои могут быть уложены под различными углами, что позволяет добиваться различных характеристик ламината. Если вы запамятовали термины, употребляющиеся в этой серии, такие как прочность на растяжение и удлинение, перечитайте первую часть, чтобы убедиться в правильном их понимании, так это важно для дальнейшего обсуждения.
 
ЦИФРЫ ВЫГЛЯДЯТ КРАСИВО
Если вы взглянете на параметры углеволокна, вашей первой мыслью будет, что глупо пытаться сделать раму из чего-то другого. Но поскольку вы сообразительные студенты Школы Велосипедного Мозголомства, то вы знаете, что нужно смотреть не только на цифры, но и на то, что написано мелким шрифтом внизу. И вот вам: работая с углеволокном, всё, что вы знали до этого, придётся выкинуть в окно.
 
Действительно, потенциал рамы из композитных материалов огромен. К сожалению, результаты некоторых попыток построить рамы из композитов были менее чем удовлетворительными. Есть много причин, по которым композитные рамы часто ломались в прошлом, но проблема не в материале. В это сложно поверить, но даже учёные-ракетчики иногда ошибаются. Ситуация напоминает то, что случилось с титаном в 1970-х гг. Teledyne построила несколько рам, которые сломались не потому, что материал был неудачным, а потому что конструкция была неудачно спроектирована или плохо изготовлена. То же самое произошло с композитами, поэтому имидж этих материалов не так хорош, как хотелось бы.
 
Типичная проблема конструктора – недоценка сложности велосипедной рамы. Поскольку карбоновые детали не очень прощают просчёты (в отличие от металлов), конструкция и её изготовление начинают играть гораздо более важную роль. Иногда и конструкция не является причиной разрушения: например, удар о большой камень нижней трубой. Она может и не сломаться от такого удара, но могут появиться отражённые повреждения с внутренней стороны ламината или внутри него. В матрице могут появиться микротрещины, что снизит способность волокон передавать нагрузку. Металл в целом ведёт себя лучше в таких ситуациях, хотя можно сделать и металлическую раму, которая тоже сломается без предупреждения.
 
СМОТРЯ КАК ПОЛОЖИТЬ
К чему я подвожу, это факт, что композитные материалы очень сложны… намного сложнее, чем металлы. К сложности материала добавляется ещё и сложность самих конструкций, не таких простых, как металлические. Как вы уже уяснили из этой серии, конструктор металлических деталей работает с двумя переменными: вид материала и геометрические параметры (типа, размера труб, их формы и толщины). Но чокнутые «композиторы» работают не только с этими двумя переменными, но также должны определить, как слой будет сориентирован. К сведению, две структуры с идентичными геометрическими параметрами, весом и композитным материалом, но с разной ориентацией слоёв могут дать кардинально разные результаты. Это справедливо не только для параметров, которые можно ощутить сразу, например, жёсткость. Нагрузка, при которой происходит разрушение, и сам режим разрушения также могут также разительно отличаться. Это при том, что режимов разрушения композитных структур дофига: «взрыв» ламината, выпадение волокон из матрицы, разрушение первого слоя, растрескивание матрицы и деламинирование. А я ещё думал, что металлические байки сложны…


Ещё одна трудность – геометрическая форма рамы. Конечно, можно построить рамы из примитивных труб и узлов (подразумеваются картека, рулевой стакан и т.д., прим. перев.), как это делают Trek или Giant, но ведь их также можно интегрировать, сделав свою собственную форму, как Kestrel или Look. В первом случае у конструктора хотя бы есть ориентир в виде металлических рам, от которых можно отталкиваться, но когда речь заходит о новой форме, нужно заново писать все уравнения.
 
ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ
Давайте посмотрим на физические свойства, которые мы затрагивали, когда говорили об алюминии, титане и стали, и посмотрим, насколько с ними совпадает карбон (или не совпадает). В лаборатории прочность измеряется при помощи теста на растяжение: образец растягивают до тех пор, пока он не разрушится. Представьте, что этот тест проходит пучок карбоновых волокон. Результаты очень хорошие. В действительности, результаты невообразимо хороши.
 
Но как карбон себя ведёт при сжатии? Сам по себе не очень хорошо, примерно как макароны. Нужен некий клей, чтобы соединить волокна вместе, и дать материалу прочность на сжатие такую же, как и на растяжение. Матрица соединяет всю эту дезорганизованную массу волокон, распределяя нагрузку между ними и слоями. Поскольку именно матрица и волокна формируют композит, будем рассматривать их исключительно вместе.
 
ПЛОТНОСТЬ И МОДУЛЬ УПРУГОСТИ
Рискуя быть обвинённым в сравнении яблок и апельсинов, я опишу лишь некий средний карбон. Относиться к этому можно по-разному, я же провожу сравнение лишь для того, чтобы поддержать целостность серии. Плотность ламината где-то в районе 0,056 фунтов/фут², что примерно 60% от веса алюминия, нашего предыдущего лидера в этом плане. Модуль упругости стандартного не самого понтового карбонового волокна составляет порядка 30-33 msi, что примерно на 10% выше, чем у стали, до этого самого жёсткого из материалов, которые мы рассматривали. Как видите, у нас тут весьма лёгкая и жёсткая штучка.
 
Если мы добавим эпоксидную смолу, то всё станет интереснее. Объёмная доля волокон в хорошо сделанном ламинате составляет 62-65%. Правило смешивания (rule of mixtures) говорит, что модуль упругости пропорционален доле волокон в матрице, поскольку почти все механические свойства обеспечиваются волокнами. Другими словами, матрица лишь передаёт нагрузку волокнам. Таким образом, если мы начнём с модуля в 30 msiи лишь 65% волокон в матрице, в конечном итоге придём лишь к трети исходного значения модуля упругости, равной 18-21 msi. Всё равно не так плохо: плотность равная трети титана, и модуль упругости на 25% выше.
 
Этот модуль упругости, однако, только для нагрузок направленных параллельно волокнам (0 градусов), тогда как мы знаем, что велосипед получает разные нагрузки в разных направлениях. Матрица хорошо держит волокна вместе, поэтому они не гнутся под комбинированой нагрузкой. Теперь давайте перевернём слой так, чтобы измерить модуль упругости в направлении перпендикулярно волокнам. Мы получим жалкие 1,5 msi или типа того, то есть модуль упругости самой эпоксидной смолы. Блин! Что ещё хуже, так это то, что модуль упругости резко падает в диапазоне между 0 и 30 град., и низкие значения сохраняются вплоть до 90 град. Это важно, поскольку велосипедные трубы (или детали) подвержены как продольным, так и торсионным нагрузкам. Решение? Добавить слои, которые будут располагаться под разными углами (чаще под 45 град.) к первому 0-градусному слою. Опять же, это лишь общие цифры, указанные ради простоты сравнения.
 
Что крайне прикольно в возможности укладывать слои в ламинате, так это то, что можно задать точные характеристики трубы или детали, которые вы хотите получить. Жёсткая на скручивание, мягкая на сгибание. Мягкая и там, и там, жёсткая и там, и там. Вы определяете характеристики, материал вам их не навязывает. Это свойство называется анизотропией, и это то, чего нет у металлов.
 
СЛАБОЕ ЗВЕНО – УДЛИНЕНИЕ
Время плохих новостей: слабое звено карбона – удлинение. Удлинение – ваша страховочная сеть, но в случае углеволокна оно низкое-низкое-низкое. Конечно, в зависимости от укладки, из углеволокна можно выжать какое-то удлинение. Например, можно уложить слои под углом 45 град., но в целом мы имеем дело с материалом, который не изобилует текучестью. Композитные структуры не предполагают пластической деформации. Если они разрушаются, они разрушаются сразу, так что конструкторам приходится сильно страховаться. Это схоже с тем, что делают конструкторы, работая с алюминием, с целью преодолеть его низкое удлинение. Большинство производителей держат в тайне то, как они укладывают слои, так что получить подробную информацию не всегда просто. Чтение руководства Trek’а позволило выяснить параметры фирменного процесса компании, исходя из приведённого в нём отношения модуля упругости к плотности. Перевернув эти цифры, получаем модуль упругости в 8 msiдля конкретной «укладки» Trek OCLV.
 
Прочность улучшенных композитов очень высока. Прочность (при угле 0 градусов) стандартной карбоновой ленты (структурный элемент) составляет 300 ksi и больше.Если же посмотреть на конечный результат, то прочность ламината будет выше 100 ksi и это при очень низкой плотности. Конкретные значения у Trek составляют порядка 115 ksi. Смотрите, Trek’овский ламинат имеет модуль упругости в 8 msi и прочтность в 115 ksi. Сравним с алюминием. Жёсткость карбона на 20% ниже, но он на 40% легче, и в два раза прочнее, будучи при этом по-прежнему на 40% легче. Весьма впечатляет.
 
ЗАМЕЧАТЕЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ

Каково будущее улучшенных композитов? Их репутация однозначно становится лучше. Отвратительные неудачные карбоновые проекты канули в лету, появились весьма успешные производственные линии. Сейчас два самых крупных игрока – это Trek с их OCLV-моделями и Giant, производящий велосипеды под несколькими торговыми марками, включая свою собственную. Проведя опрос нескольких людей из области, я полагаю, что карбоновых байков сейчас продаётся в два-три раза больше, чем титановых. Удивительно, учитывая весь ажиотаж вокруг титана. Но если вы посмотрите на то, насколько недорогими являются рамы от Trek и Giant, всё встаёт на свои места.
 
Будущее байков из композитов с большой вероятностью будет таким же, как то, что я предсказывал алюминиевым: улучшения в материалах будут играть меньшую роль, чем процесс проектирования и производства, которые позволяют выжимать из материалов всё самое лучшее.
 
Стив Левин – менеджер по разработкам в Schwinn, оказал значительную помощь Скоту Николу при написании этой статьи. Спасибо, Стив.
 
В следующий раз: причудливая природа экзотических материалов.