¿Por qué la fibra de carbono es intrínsecamente débil? ¿O lo es?

La fibra de carbono no es necesariamente un material “débil” o “frágil”. Si tuvieras un tubo del mismo diámetro y grosor del típico CF que un típico tubo de acero del marco, ese tubo CF sería extremadamente fuerte y duradero.

Los metales como el acero y el aluminio son materiales isotrópicos. Eso significa que sus propiedades mecánicas son idénticas en todas las direcciones. Si tienes un cubo de acero, responderá de la misma manera independientemente de la dirección en la que lo empujes o jales.

La fibra de carbono es un material compuesto. Consiste en toneladas de pequeños haces de fibras unidos con un epoxi.

Un bloque de acero es, bueno, como el acero, pero la fibra de carbono es como un gran haz de pajillas pegadas entre sí. En una dirección, es extremadamente fuerte, pero si se empuja o se tira hacia un lado, se colapsará. En esa dimensión en la que es fuerte, es mucho más fuerte que el acero. Sin embargo, en otras direcciones es bastante endeble.

Así que los ingenieros han sido capaces de explotar esas propiedades en los marcos de las bicicletas. En un marco de bicicleta, la vasta, vasta mayoría de las fuerzas son principalmente a lo largo de una sola dimensión. Pueden hacer que los tubos sean más finos y ligeros, pero aún así conservan la fuerza y la rigidez deseadas.

Por lo tanto, no hay ninguna razón mecánica que impida construir una bicicleta de paseo completamente cargada o algo así como una Salsa Fargo con un marco de carbono, y podría ser igual de resistente y duradera. Y probablemente sería más ligera que un cuadro de acero o aluminio. Pero la razón por la que no se hace es por el mercado. La fibra de carbono es un material caro y difícil de trabajar, y sus propiedades mecánicas son las más adecuadas para cuando se requieren aplicaciones muy ligeras.

Cuando construyes una bicicleta con cuadro de acero, cuando obtienes los tubos lo suficientemente fuertes a lo largo de su longitud, que debido a las propiedades isotrópicas del acero, obtienes la fuerza lateral gratis, la fuerza para resistir cosas que chocan contra ella, soportar choques, etc.

En un cuadro de fibra de carbono, no obtienes la fuerza en las otras dimensiones a menos que elijas diseñarlo en ellas. En las bicicletas de fibra de carbono, donde el peso es una seria preocupación, la decisión de ingeniería se ha hecho para no hacer los marcos fuertes en esas áreas. Podrían hacerlo, pero eligen no hacerlo porque no es necesario para el propósito de la bicicleta.

Cuando construyes una bicicleta pesada, pierdes muchas de las ventajas de la fibra de carbono, y por lo tanto sería mucho más económico usar acero o aluminio. Especialmente cuando tirar un par de botellas de agua llenas en tu cesta casi excede el ahorro de peso.

Primero una aclaración: la mayor parte de lo que sé sobre la fabricación de fibra de carbono proviene de los aviones, no de las bicicletas. También hay que tener en cuenta que la fibra de carbono es no el único compuesto que se utiliza – sólo para una alternativa, las fibras de Kevlar pueden ser útiles también (Kevlar es más fuerte, pero también más flexible que el carbono).

La fibra de carbono es fuerte, pero no responde bien a las tensiones punto. Esto se debe en gran parte a que es básicamente tela (tejida con fibras de carbono). Si pones mucho estrés en un solo punto, estás poniendo ese estrés en sólo unas pocas de esas fibras de carbono. Mientras que las fibras en sí son extremadamente fuertes (por su peso), la unión que mantiene las fibras individuales juntas es mucho más débil. Para comparar, piensa en la cinta de embalaje que tiene fibras de fibra de vidrio a lo largo de su longitud. La fibra de vidrio en sí es muy fuerte, pero la tira de plástico y “pegamento” que las mantiene unidas es mucho más débil. Aunque los detalles difieren, la misma idea general se aplica a la fibra de carbono también.

La fuerza exacta depende de la dirección también. Como dije antes, la fibra de carbono comienza como un hilo básicamente que se teje en la tela. La tela se impregna con algún tipo de epoxi (el epoxi exacto utilizado varía según la aplicación), se coloca en un molde, se embolsa al vacío1 y se hornea para endurecer el epoxi. Se puede obtener la tela en varios tejidos diferentes, algunos con la misma cantidad de fibra de carbono corriendo en cada dirección, otros con (digamos) el 80% de la fibra de carbono en una dirección, y sólo el 20% en la otra dirección. En una suposición, la mayor parte de la CF usada en el marco de una bicicleta está probablemente en algún lugar más cercano a esta última variedad, con la mayoría de los hilos corriendo a lo largo de la longitud de un tubo, y considerablemente menos corriendo alrededor de la circunferencia del tubo.

Mientras estemos en ello: el carbono es también aproximadamente dos veces más fuerte con respecto a ser estirado que ser comprimido. Típicamente tendrás alrededor del doble de capas donde se somete principalmente a una carga de compresión.

1 La bolsa de vacío significa que se coloca una gran bolsa de plástico alrededor del molde y la tela tendida, y se aspira el aire. La presión del aire en el exterior mantiene las capas de tela bien juntas para (tratar de) asegurar que cuando se horneen, actúen como una sola capa, no como capas separadas. Esto tiene poco efecto en la resistencia cuando se somete a estiramiento, pero un efecto enorme cuando se somete a compresión o flexión.

La fibra de carbono es un material muy fuerte, pero como cualquier material hace algunas cosas mejor que otras. De Wikipedia :

La fibra de carbono es muy fuerte cuando se estira o se dobla, pero es débil cuando se comprime o se expone a un alto impacto (por ejemplo, una barra de fibra de carbono es extremadamente difícil de doblar, pero se agrietará fácilmente si se golpea con un martillo).

Considerando que un marco de fibra de carbono puede soportar el peso de un ciclista más todas las fuerzas que un ciclista añade (que pueden exceder varias veces su peso corporal) no es de ninguna manera débil. Todo esto por menos del peso de un marco comparable de aluminio o acero.

Pero ciertos tipos de fuerzas, como los impactos bruscos, pueden dañar las fibras y el epoxi debilitando el material, algo que es menos probable con un metal. Y una pequeña abrazadera puede aplastar un tubo de CF, si se le da la suficiente fuerza (también se puede hacer con un tubo de aluminio de pared fina, pero requiere más esfuerzo).

Creo que también vale la pena señalar que mientras la fibra de carbono puede ser colocada para ser bastante fuerte, no es para nada dúctil, como el acero o (en menor medida) el aluminio. Puedes hacer una abolladura de buen tamaño en un marco de metal y aún así montarlo en casa, pero si haces una abolladura en la fibra de carbono probablemente has comprometido todo el tubo hasta el punto de que probablemente no deberías montarlo. Es mucho más quebradizo, así que la deformación significa rotura, mientras que en los metales normalmente significa que algo se estira o comprime, lo que hace comparativamente menos daño a la integridad estructural.

Un poco tarde para la fiesta pero aquí está mi ha'penneth: Como se ha señalado anteriormente, un método de fabricación común de los marcos de CF implica la “colocación” de múltiples capas de fibras impregnadas de resina de diferentes orientaciones para optimizar las características de resistencia de acuerdo con las cargas esperadas y el rendimiento requerido del marco (por ejemplo, rígido frente a flexible/flexible). En este sentido, la CF puede adaptarse con mayor precisión a un conjunto de requisitos para el peso más ligero. Como en todos los problemas de ingeniería, hay compromisos. Cada capa es esencialmente bidimensional (piense en los ejes x e y para una lámina plana), la tercera dimensión, el espesor (piense en el eje z) es sólo la acumulación de capas de fibras, pero no tiene ninguna resistencia de fibra per se, sólo la resistencia de la matriz de resina que mantiene todas las fibras juntas. Así que es a través del espesor del material que las estructuras compuestas de CF son más débiles. Y un modo común de fallo se conoce como deslaminación (la unión entre las capas falla). Esto puede ocurrir por un golpe en la superficie y cualquier delaminación dentro de las capas no será visible externamente. Sólo los escáneres pueden detectar la extensión de cualquier daño - el método de baja tecnología implica golpear la superficie y escuchar cualquier cambio en el tono de los golpes - requiere un oído entrenado y es menos obvio para el lego para diferenciar entre un cambio en el tono debido a una delaminación versus digamos un cambio en la capa subyacente (capas extrañas cerca de las uniones etc…).

La delaminación es el punto débil de los marcos de CF y por qué, en mi opinión, pueden ser descritos como “fuertes” pero NO “duros” o “resistentes al daño”. Ya que cualquier golpe viejo podría poner en peligro la fuerza del marco y conducir a un repentino e inesperado fallo catastrófico. El metal, por otro lado, cede gradualmente cuando se sobrecarga, por lo que es menos probable que se produzca un fallo repentino (si se diseña correctamente).

Así que la gran pregunta para mí siempre ha sido: si me choco con una bicicleta CF, ¿cómo sabré que la fama sigue teniendo integridad estructural?

Hablo como un ciclista e ingeniero que se especializó en mis primeros años de carrera en materiales compuestos y aglomerados. La respuesta al riesgo de deslaminación está en los materiales compuestos donde las fibras también corren en la dimensión z (espesor). Esto se puede lograr a través de estructuras de fibra “tejidas” donde las fibras unen/bloquean las capas - la fibra seca “tejida” se mantiene en un molde y la resina líquida se inyecta y se cura. Por lo que sé, ningún fabricante utiliza aún esta técnica (costosa - cosas de tipo militar/aeroespacial). Continúan con el método tradicional de capas de fibras pre-impregnadas. Algunos fabricantes hablan de “tejer las fibras juntas” de un tubo a otro en el cuadro de una bicicleta, pero no creo que esto sea “tejer” a través de las capas de una técnica de fabricación más avanzada.

En realidad no conozco todos los detalles, pero sé que la Fibra de Carbono tiende a ser fuerte y flexible en algunas direcciones, y no muy fuerte en otras. Así que cuando construyes un marco con ella, puedes alinearla bien para que el marco se doble y absorba los golpes de la forma en que se supone que funcionan los marcos, pero si le aplicas la presión equivocada (por ejemplo, si la dejas caer de lado en una curva de hormigón), podría agrietarse.

Pero, como tal vez quedó claro en mi pregunta anterior, no estoy realmente seguro :)