Что такое углеродное волокно?

Какое влияние на окружающую среду оказывает углеродное волокно?

Можно ли переработать углеродное волокно?

Многофункциональные композиты из углеродного волокна с использованием углеродных нанотрубок в качестве альтернативы проклейке полимеров

Рост УНТ

Модификация углеродного волокна путем роста УНТ показана на рис. 1. Высокая плотность и длина УНТ очевидны, когда сравнивая фотографии и изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), полученного углеродного волокна (рис.1b, c) и нечеткое волокно (рис. 1d – f) (см. Метод в дополнительном примечании 1). Рис. 1f демонстрирует высокоплотный рост и выровненные структуры лесов углеродных нанотрубок на углеродных волокнах (рис. 1g), причем там, где присутствует рост, углеродные волокна не видны. Наблюдаются оголенные углеродные волокна (рис. 1e, f), но в результате ортогонального волокна «затенение» волокон во время осаждения металла. УНТ, измеренные с помощью сканирующего просвечивающего микроскопа (STEM), имели диаметр 12,5 нм (вставка на рис.1f) (метод см. В дополнительном примечании 1). Диаметр и отчетливая пятистенная конструкция соответствуют природе «многослойной» нанотрубки — желаемому типу нанотрубки, поскольку она обладает металлической проводимостью. Изменение веса ткани в процессе роста показано на рис. 1h, показывающее первоначальное снижение веса на 1,7 мас. %, Которое происходит в результате удаления полимерной проклейки с помощью процесса термического отжига ^{5 , 18} . Увеличение веса от этого значения является результатом увеличения веса за счет роста УНТ.

Диаграмма, отображающая анализ углеродного волокна до и после роста УНТ и после вливания в конечный композит.

( a ) PT-CVD, используемый для выращивания УНТ на углеродном волокне. ( b ) Фотография углеродного волокна в полученном виде с ( c ) типичным SEM-изображением волокон. ( d ) Фотография слоя нечеткого волокна с ( e , f ) СЭМ-изображениями с увеличивающимся увеличением. На вставке ( f ) STEM-изображение типичного наблюдаемого MWCNT.( g ) Схема, показывающая расположение УНТ по отношению к углеродному волокну. ( ч ) Изменение веса в течение всей процедуры роста УНТ. ( i ) Поперечное сечение пропитанного нечеткого волокнистого композита. ( j ) Неразрушающий ультразвуковой анализ композита с нечеткими волокнами, синий цвет означает минимальное затухание, поэтому нет видимых пустот. ( k ) Принципиальная схема, описывающая усиленный перенос электронов (e ^— ) и фононов (q) из верхнего и нижнего слоев (горизонтальные черные линии).

Рост УНТ является значительным улучшением по сравнению с предыдущими отчетами об углеродном волокне, о чем свидетельствует более высокая плотность, длина и ориентация нанотрубок ⁵ . Мы сообщаем, что это улучшение роста происходит частично в результате использования прослойки Al, которая, как ожидается, минимизирует диффузию железного катализатора в подложку из углеродного волокна ¹⁹ . Этот промежуточный слой также снижает деградацию нижележащего углеродного волокна в процессе роста ²⁰ , действуя как тепловой барьер ²¹ и уменьшая взаимодействие катализатора с углеродным волокном, минимизируя точечную коррозию ¹¹ . Наблюдается сходство морфологии УНТ с УНТ, выращенными на волокнах из оксида алюминия / SiC ^22,23,24 , что дополнительно подчеркивает, что улучшение роста УНТ является результатом прослойки алюминия по сравнению с текущим состоянием ^{. 25,26,27,28,29,30} . СЭМ-анализ сухих волокон (рис. 1f) и поперечного сечения композита (рис. 1i) (метод см. В дополнительном примечании 2) на композите показал, что ~ 40% волокон покрыты УНТ (где рост присутствует) ¹⁸ с длиной УНТ в диапазоне 10–300 мкм и плотностью роста (там, где происходил рост) ~ 2 × 10 ¹⁰ трубок см ⁻² .Как видно из рис. 1i, рост УНТ происходит вне скоплений углеродных волокон (жгута). Длина и ориентация УНТ идеальны для перекрытия электрически и теплоизоляционных межслойных областей, в которых преобладает полимерная матрица (рис. 1k). Вливание нечетких волокон не привело к появлению видимых пустот, что продемонстрировано ультразвуковым тестированием на фиг. 1j (см. Дополнительное примечание 3 для метода), где не наблюдались зоны с высоким затуханием (пустоты), обозначенные красным цветом. Лучшее качество, более высокая плотность и ориентированные УНТ дают уверенность в том, что полученный композит будет более высокого качества, чем те, которые были получены до сих пор в литературе.

Природа графитовых структур, рассмотренных в нашем исследовании, была оценена с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света (рис. 2) с двумя линиями лазерного возбуждения, 514 нм (рис. 2a, b) и 782 нм (рис. 2c, d) (см. Дополнительные Примечание 4 для метода). Этот метод является неразрушающим и хорошо подходит для симметричных гомоатомных решетчатых структур, таких как УНТ и углеродные волокна.На рис.2 (а, в) представлены спектры немодифицированных углеродных волокон (черные кривые), углеродных волокон после нанесения металлического катализатора (желтые кривые) и нечетких волокон после роста УНТ для линий возбуждения лазера 514 нм и 782 нм (зеленые кривая и красные кривые соответственно).

для двух длин волн лазерного возбуждения ( a ) 514 нм и ( c ) 782 нм и их характеристических пиков ( b , d ) соответственно. ( a , c ) Спектры комбинационного рассеяния света во время изготовления нечетких волокон; ткань из углеродного волокна без покрытия (черные кривые), металлическое осаждение алюминиевой прослойки и железного катализатора на ткани (желтые кривые) и ткань из нечетких волокон (( a ) зеленая и ( c ) красные кривые). ( b , d ) Последующий анализ характеристических пиков; режим радиального дыхания (RBM), пик D, G и 2D для обеих длин волн лазерного возбуждения. Для подобранных спектров черные кривые — это исходные спектры, зеленая и красная кривые — индивидуальные лоренцевы аппроксимации, а синяя кривая — суммарный пик (где подогнаны две кривые).( d ) Морфология УНТ помогла при выборе областей для проведения спектрального анализа. ( e ) Сравнение дефекта «D» и отношения пика графитизации «G» по сравнению с другими исследованиями УНТ на углеродном волокне. Обратите внимание на ссылки (25-30, 5) на сопоставимый анализ комбинационного рассеяния на УНТ, указанные в ( e ).

Немодифицированное углеродное волокно характеризуется двумя пиками, которые наблюдаются для обоих типов энергий лазерного возбуждения. Эти пики соответствуют: преимущественно дефектно-индуцированной полосе двойного резонанса (D-пик, 1330-1360 см ^{-1 31} ) и графитовому пику (G-пик 1580 см ^-1 ), хотя и с разными относительными интенсивностями.Однако для лазера с длиной волны 514 нм (рис. 2а) в спектрах углеродного волокна наблюдается широкий пик на высоких частотах (~ 2900 см ^-1 ), эти особенности наблюдаются также для углерода, модифицированного Al и Fe. волокно. В этой частотной зоне нечеткие спектры волокна отображают двумерный пик (и различные комбинации обертонов и внутридолинных процессов). Углеродное волокно, модифицированное Al и Fe, использующее лазер с длиной волны 782 нм (рис. 2c), демонстрирует широкий пик, который может быть результатом усиленной люминесценции от металлической поверхности.После роста УНТ пики D и G имели более узкие значения FWHM и пониженное отношение I _D / I _G . Это говорит о том, что УНТ имеют меньше дефектов решетки, чем углеродное волокно — с металлической прослойкой и катализаторами и без них. Возбуждение с использованием лазерного источника 782 нм (рис. 2c) отображает полосы M и iTOLA (1769 см ^-1 и 1861 см ^-1 , соответственно) для образца нечеткого волокна. Полоса iTOLA обладает высокой энергетической дисперсией ³² и связана с комбинацией двух внутридолинных фононов — одной оптической моды и одной акустической моды ³³ .Диапазон M является обертоном активного инфракрасного (ИК) режима в графите и представляет собой процесс второго порядка ³³ . Слабая мода радиального дыхания (RBM) наблюдается в спектре нечетких волокон при использовании лазерного источника 782 нм, что указывает на наличие небольшого количества ОСУНТ ³⁴ . Это уникально для низкотемпературного процесса PT-CVD и является признаком высокого качества роста УНТ на любой поверхности.

Отметим, что анализ поверхности углеродного волокна также содержал полимерные проклейки. Кроме того, базовые плоскости углеродного волокна могли быть изменены в результате температуры роста УНТ, что повлияло на турбостратную структуру, что можно было бы наблюдать как сужение 2D-пика. Каждый из основных резонансных пиков, наблюдаемых для образцов нечеткого волокна, был подогнан к кривой (кривым) функций Лоренца, чтобы определить количество пиков и их положение для обоих источников возбуждения (рис. 2b, d). Значения положений пиков показаны в дополнительной таблице S1.

Спектры, полученные при возбуждении лазером на длине волны 514 нм (рис. 2b), показывают пики D и G, подогнанные к одной лоренцевой кривой, в то время как 2D-пик соответствует двум кривым. Дефектность определяется соотношением интенсивностей пиков D и G, (I _D / I _G ) (рис. 2e). Отношение I _D / I _G показывает, что выращенные в данной работе УНТ имеют высокое качество и минимальные структурные дефекты, на что указывают низкие значения I _D / I _G . Однократная подгонка пика G предполагает MWCNT (отсутствие расщепления G ^— / G ⁺ ) высокого качества (отсутствие D’-пика (~ 1620 см ^-1 )). Такая многостенная природа трубок подтверждается наблюдениями STEM (вставка на рис. 1f). 2D-пик является индикатором наложения графитовых слоев внутри MWCNT и может использоваться для определения качества УНТ путем сравнения интенсивности пика с I _D (I _D / I _2D ). I _D / I _2D для обеих длин волн лазера показаны в дополнительной таблице S1.Интересно, что одинарная (хотя и более слабая) подгонка 2D является особенностью графена (или ОСУНТ), однако этого также можно ожидать от многостенных толстых многостенных многостенных нанотрубок с высококачественной укладкой.

Принимая во внимание данные спектров для 782 нм лазера, особенность на ~ 231 см ^-1 (рис. 2d) отнесена к RBM. Наблюдаются два пика, из которых второй находится при 240 см ⁻¹ (красная и зеленая кривые). Это говорит о наличии небольшой доли ОУНТ. Радиусы SWCNT, рассчитанные из ω _RBM = ( A / d _t ) + B , равны 1.07 нм и 1,03 нм ³⁵ . Где ω _RBM — это сдвиг рамановской частоты RBM по волновому числу ( ^-1 см), а d _t — диаметр УНТ. A и B — параметры, которые были эмпирически определены как 234 см ^-1 нм и 10 см ^{-1 34} , соответственно, для ОСУНТ с диаметром от 1 до 2 нм ³⁶ . Спектры демонстрируют единственную лоренцеву аппроксимацию для пика D, однако пик G на рис.2b показывает наличие двух пиков: 1595 см ⁻¹ (красный) и при 1619 см ⁻¹ (зеленый). Доминирующий пик (1595 см ^-1 ) назначен полосе G, а небольшая особенность при 1619 см ^-1 назначена пику D ’, который находится на 1620 см ^-1 . Этот пик беспорядка не наблюдался для энергии лазерного возбуждения 514 нм, хотя следует отметить, что пик чувствителен к площади волокна и ориентации хиральной решетки ³⁰ . Отсутствие расщепления G ^— / G ⁺ предполагает наличие MWCNT, что подтверждается измерениями STEM. Асимметричный 2D-пик меньшей интенсивности также наблюдается в подобранных спектрах, указывая на возможность слабого межслоевого взаимодействия углерода.

Подводя итог рамановскому анализу, спектры предполагают, что образцы состоят в основном из многостенных многостенных углеродных нанотрубок с небольшим количеством однослойных углеродных нанотрубок. Хотя наблюдались слабый 2D-пик (514 нм) и спектры RBM (782 нм) (предполагая SW-), одиночный пик G (1575 см ^-1 и 1595 см ^-1 для 514 нм и 782 нм возбуждения, соответственно) и 2 пика, соответствующие 2D пику (782 нм), также наблюдались (что указывает на MW-).УНТ, полученные в этой работе, имеют высокое качество (I _D / I _G = 0,4), включая сравнения с предыдущей работой с использованием той же системы, где более широкие пики D, I _D / I _G > 1 и наблюдались 2D-пики небольшой интенсивности ⁵ . Мотивация для включения УНТ в композит обусловлена ​​многообещающими теоретическими предсказаниями механических, электрических и термических свойств УНТ ³⁷ . Дефектные УНТ просто включают дефектные углеродные структуры без желаемых свойств.

Ограничение рамановской спектроскопии было продемонстрировано Tuinstra et al. ³⁸ , который подсчитал, что обычно 70% рамановского сигнала исходит из верхней границы ~ 250 Å, а 90% — из глубины ~ 500 Å. Кроме того, сигнал может исходить от дефектных частей УНТ, например частей, деформируемых катализатором. К счастью, преимуществом высокой плотности и длины выращенных УНТ была возможность нацеливать участки УНТ с помощью оптического микроскопа и лазера (рис.2г). Кроме того, ткань из нечетких волокон была просканирована на нескольких участках, чтобы получить систематическое и усредненное понимание поверхности, которое будет распространять свойства равномерно и на образцы композитного углепластика.

Электрические измерения

Испытания электропроводности были проведены в направлении поверхности, сквозной толщины и объема, результаты показаны на рис. 3. На рисунке показано сильное улучшение электропроводности во всех направлениях после добавления УНТ.Это: увеличение на 300% в направлении поверхности, увеличение на 450% в направлении толщины и на 230% увеличение в направлении объема для нечеткого углепластика (F-CFRP) по сравнению со стандартным углепластиком. Улучшение направления поверхности предполагает, что УНТ перекрывают изолирующий зазор от волокна до электрического зонда и / или используют соседние слои через УНТ для переноса электронов. Наибольшее улучшение наблюдается в направлении толщины, поскольку УНТ перекрывают электрически изолирующие межслойные области и соединяются с электрическими зондами.Этот результат имеет ключевое значение для развития электрических свойств углепластика вне плоскости.

Результаты по электропроводности для углепластика и F-углепластика для поверхности, толщины и объема.

(Вставки из ( a ) и ( b )) Различные конфигурации для проверки электропроводности. Серебряные прямоугольники на образце изображают серебряную проводящую краску DAG. ( a ) Результаты по электропроводности для всех слоев, модифицированных по сравнению с немодифицированным композитом.( b ) Испытания электропроводности 4-слойных (из 14) слоев FF (называемых (4 F) -CFRP). ( c, d ) Схема гибридных (серое углеродное волокно, слева и нечеткое волокно черное, справа) испытательных образцов с результатами по электропроводности. Серебряные квадраты представляют собой серебряные контактные пятна DAG. ( c ) Сравнение CFRP (жирные линии в качестве эталонов) и (1F) -CFRP (пунктирные линии). ( d ) Сравнение всех измерений, где толщина линии определяет сопротивление (200: 1).

В аэрокосмической промышленности прямая замена металлической фольги достигается путем модификации только самых верхних слоев. Рисунок 3 (b) показывает для 4-слойных (из всего 14 слоев) модифицированных образцов ((4F) -CFRP) значительные улучшения в электропроводности не только поверхности, но также толщины и объема. Было улучшение на 200% и 240% в направлениях поверхности, толщины и объема для образца нечеткого волокна, соответственно. Улучшения в направлении толщины и объема являются результатом миграции УНТ к последующим слоям или путей электрической перколяции, образующихся в межслойных областях.Поскольку электрические контактные области подвергаются лазерной абляции в точках внешнего контакта (контактное сопротивление электрического зонда и углеродного волокна незначительно), улучшение электропроводности в направлении поверхности указывает на формирование электрических путей в межслойных областях в самых верхних слоях. Кроме того, улучшения могут быть связаны с верхним однослойным слоем, если выращенные УНТ образуют электрические контакты на одном и том же слое, увеличивая количество путей электрической перколяции.

Образец гибридного (CFRP / (1 F) -CFRP) композита (толщиной 14 слоев), изготовленный из одинарного нечеткого волокна полотняного переплетения (50%) и стандартного слоя полотняного переплетения (50%) (два отдельных куска, настаиваются рядом друг с другом). Результаты по электропроводности показаны на рис. 3в, г; левая сторона (серый цвет) образцов представляет собой немодифицированный углепластик, а правая сторона (черный цвет) представляет собой нечеткое волокно. Тест состоял из двух частей: исследование разницы в проводимости на двух участках (рис.3c) и исследования согласованности результатов (рис. 3d). На рис. 3c показано сопротивление (нормализованное путем разделения электрического зонда) после сравнения симметричных измерений относительно разделения углеродного волокна / нечеткого волокна (, т.е. соответствующих цветов, где жирные линии — эталонные измерения). Очевидно, одинарный слой нечеткого волокна привел к снижению электрического сопротивления на 85–92%.

На рисунке 3d показаны относительные различия в сопротивлении (нормированные путем разделения электрических датчиков) на толщину линий с (чем толще линии, тем больше сопротивление, 200: 1).Несоответствие, наблюдаемое для двух больших поперечных измерений, могло быть результатом неоднородности ткани. Тем не менее, результаты с одним слоем нечеткого волокна явно демонстрируют, что УНТ улучшают электрическую проводимость в направлении поверхности.

Типичные значения электропроводности стандартных композитов из углеродного волокна составляют ~ 1 ^-1 -10 ² См ^-1 в плоскости и ~ 10 ^-3 -10 ^-2 См см ⁻¹ в направлении по толщине ^10,39,40 , которые сопоставимы с таковыми в контрольных образцах на рис.3. Повышение электропроводности наблюдалось для композитов из углеродного волокна, модифицированных УНТ, для различных слоев слоев, конфигураций испытаний и различных геометрических форм.

Результаты на рис. 3 предполагают, что улучшения поверхностной проводимости являются комбинацией УНТ, соединяющих изолирующий слой от слоя до электрического зонда, УНТ, соединяющих соседние слои, и / или увеличенного числа путей интраламинарной перколяции.

Эти данные выгодно отличаются от предыдущих отчетов о композитах из углеродного волокна, модифицированных УНТ. Ли и др. ⁴⁰ сообщили об увеличении на 42% и 54% в направлении поверхности и толщины после осаждения MWCNT на углеродное волокно с помощью электрофореза . Бекярова и др. ⁴¹ сообщил о максимальном улучшении поверхности и толщины на 24% и 30% соответственно после присоединения MWCNT к углеродному волокну с помощью электрофореза . Об улучшении электропроводности сообщили Veedu et al. ²³ на волокнах SiC, сообщающие об улучшении на 360% и 440% в плоскости и в направлении по толщине соответственно.Yamamoto et al. Сообщили о значительных улучшениях для композитов на основе волокон из оксида алюминия, модифицированных УНТ. ¹⁰ из ~ 1 × 10 ⁸ % в плоскости и ~ 3 × 10 ⁹ % во внеплоскостном направлении.

Измерения теплопроводности

Углепластики обычно характеризуются плохими анизотропными термическими свойствами. Теплопроводность особенно ниже в направлении сквозной толщины по сравнению с направлением в плоскости (в котором преобладают волокна), поэтому испытания на теплопроводность проводились на образцах из углепластика и F-углепластика вне плоскости. направление.Мощность варьировалась (от 6 × 10 ^-2 Вт до 4 Вт), и было получено 10 результатов для углепластика и 8 результатов для углепластика соответственно. Результаты теплопроводности, которые были извлечены из градиентов соответствующих графиков, представлены на рис. 4.

( a ) Принципиальная схема установки теплопроводности. Силовой резистор был помещен над верхней алюминиевой пластиной, а термопары были размещены в алюминиевых пластинах над и под образцом. Алюминиевый диск, расположенный внизу, выполнял роль теплоотвода и соприкасался с водоохлаждаемым основанием.( b, c ) Теплопроводность приводит к отклонению толщины от плоскости для углепластика и F-углепластика. ( b ) — нормализованный результат, отличный от V _f , а ( c ) — нормализованный результат V _f . ( d, e ) Конечно-элементная тепловая модель биаксиальных материалов из углепластика в ( c ) с использованием теплового потока (1 кВт · м ⁻² ) в перпендикулярном направлении к осям волокна и постоянного тепла. -температура раковины 10 ° C для немодифицированного углепластика ( d ) с повышением температуры на 0 ° C.178 ° C (13,48 ° C см ^-1 ) и ( e ) F-CFRP, демонстрируя разницу температур 0,088 ° C (6,82 ° C см ^-1 ). Для обеих моделей теплопроводность волокон составила 7 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ .

Перед нормализацией объемной доли волокна ( V _f ) образец F-CFRP показывает увеличение теплопроводности в направлении толщины вне плоскости на 15% по сравнению со стандартным образцом CFRP. Это замечательный результат, учитывая разницу в V _f между каждым образцом (объемная доля волокна (48.5 ± 0,5)% для углепластика и (20,0 ± 2,0)% для углепластика, использованного в этом испытании ¹⁸ .

Чтобы нормализовать эти результаты на V _f , выражение, полученное Hatta et al. ⁴² :

, где K _c , K _м , K _f — теплопроводность армирующих волокон, матрицы и армирующего волокна соответственно. .Это можно сравнить с использованием простого выражения, полученного из модели плиты, которая оказалась менее надежной ⁴³ . Значение для эпоксидной смолы (предполагаемой изотропной) 0,3 Вт · м · K ^-1 было получено от Hull et al. ⁴³ , а значение для K _f для немодифицированных волокон было получено от производителя и составило 7 Вт м ⁻¹ K ⁻¹ (волокна PAN изотропны в поперечном направлении ⁴⁴ ).Нормализованные результаты представлены на рис. 4в. Ошибки были рассчитаны путем определения распределения с использованием стандартных ошибок, связанных с измерениями V _f .

После нормализации F-CFRP показывает улучшение теплопроводности на 107% в направлении толщины. Ожидается, что радиально выращенные УНТ на углеродном волокне улучшат фононную связь; уменьшение рассеяния от межслойных областей, в котором преобладает теплоизолирующая полимерная матрица. Ямамото и др. ¹⁰ сообщили об удвоении теплопроводности в направлении толщины их волокон из оксида алюминия, покрытых УНТ, с использованием метода ИК-микроскопии, тогда как Veedu et al. ²³ сообщили об увеличении теплопроводности на 50% вне плоскости толщины их волокон SiC. Liang et al. выращивал углеродные нановолокна на углеродном волокне, и с использованием метода 3ω сообщалось об улучшении на 33% в направлении толщины ⁴⁵ .

Углепластики обычно обладают плохой и анизотропной теплопроводностью; обычно ~ 10 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ в плоскости и, в соответствии с эталонным образцом на рис. 4b, c, ~ 1 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ в сквозном Направление толщины ^10,39 . МУНТ являются идеальным типом УНТ, поскольку концентрическая цилиндрическая структура уменьшает рассеяние фононов ^46,47 . Характеристика, проведенная на УНТ, предполагает, что они обладают идеальными качествами для улучшения теплопроводности, поскольку более длинные УНТ приспособлены к более широкому диапазону фононных частот, увеличивая их теплопроводность ⁴⁶ . Но наблюдаемое улучшение могло быть улучшением нижней границы. Низкое значение V _f F-CFRP и изображения поперечного сечения, полученные с помощью SEM, предполагают наличие богатых смолой межслойных областей. При проектировании композита таким образом, чтобы УНТ находились в физическом контакте, можно будет уменьшить рассеяние фононов от полимерной матрицы ⁴⁸ . Эта функция не учтена в нормализации V _f , что предполагает возможность дальнейших улучшений.Определены теоретически определенные улучшения ~ 400% для композитов с нечетким волокном (объемная доля УНТ 4,27%) ⁴⁹

Анализ методом конечных элементов (COMSOL Multiphysics, модуль теплопередачи) был использован для моделирования потока тепла вдоль перпендикуляра. направление к оси волокна (положительное направление оси z на рис. 4d, e) двухосных углепластиковых материалов, используемых на рис. 4c. Рисунок 4d показывает, что для немодифицированного углепластика разница температур, необходимая для этого теплового потока, равна 0. 178 ° C по оси z модели, 130 мкм. Это соответствует разнице температур 13,48 ° C см ^-1 и теплопроводности 0,742 Вт м ^-1 K ^-1 вдоль этого направления, что находится в хорошем соответствии с рис. 4c.

Коэффициент теплопроводности «эффективной матричной среды» был получен путем согласования проводимости модели с экспериментально определенным значением для F-CFRP (1,45 Вт м ^-1 K ^-1 из рис. 4c) по формуле изменяя только теплопроводность матрицы (проводимость волокон остается постоянной и составляет 7 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ ).Этот анализ показал, что теплопроводность «эффективной матричной среды» составляет 1,02 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ (рис. 4e), что соответствует коэффициенту увеличения проводимости волокна во внеплоскостной плоскости. направление ~ 340%, опосредованное УНТ на нечетких волокнах. Это сильное усиление предполагает, что УНТ эффективно усиливают перенос фононов через соседние волокна в направлении вне плоскости.

Алюминий и углеродное волокно — сравнение материалов

Какой материал может заменить алюминий и обеспечить повышенную прочность, а также меньший вес?

Можно ли изготавливать компоненты, которые весят на 50% меньше алюминия, но обладают такой же или большей прочностью?

Алюминий — широко используемый материал, но углеродное волокно представляет собой новое решение для многих инженеров-строителей.В этой статье указаны различия между этими материалами и описаны их сильные и слабые стороны.

Каковы сильные и слабые стороны этих материалов?

Прочтите эту статью, чтобы узнать больше о сильных и слабых сторонах алюминия и углеродного волокна.

Углеродное волокно используется в отраслях, где требуется высокая прочность и жесткость по отношению к весу. например в авиации, автоматизированные машины, гоночные автомобили, профессиональные велосипеды, реабилитационное оборудование.

Благодаря своему уникальному дизайну, углеродное волокно также используется при производстве предметов роскоши, включая часы, кошельки и т. Д. Этот материал делает продукт уникальным в мире роскоши и элегантности и помогает ему быть на шаг впереди конкурентов.

Сопоставить свойства углеродного волокна со сталью или алюминием непросто. В отличие от углеродного волокна, металлы обычно однородны. — изотропен, что обеспечивает одинаковые свойства во всех направлениях.

Прочность и жесткость компонента из углеродного волокна достигается путем размещения тканей определенным образом. Это открывает возможности для производителя, но также требует больших знаний и опыта.

В этом исследовании анализируются 10 наиболее важных свойств для инженеров-строителей:

1. Жесткость и прочность материала по отношению к весу.
2. Жесткость и прочность материала одинаковой толщины.
3. Вес / плотность.
4. Механическая обработка.
5. Тепловое расширение.
6. Теплопроводность.
7. Температурная стойкость
8. Долгосрочная работа.
9. Осуществление производственного процесса.
10. Сводка

Обратите внимание, что любые ссылки на углеродное волокно и его характеристики в этой статье относятся к композитному материалу, изготовленному из углеродного волокна и эпоксидной смолы.

1. Жесткость и прочность материала по отношению к весу

Чтобы объяснить жесткость в зависимости от веса, представьте себе лист шириной 5 см, длиной 50 см и толщиной 2 мм.Когда вы подвешиваете груз весом 5 кг к концу листа, нагрузка приведет к изгибу, а степень изгиба будет соответствовать жесткости. Для разных материалов лист одинаковой толщины будет иметь разные свойства изгиба. Чем жестче материал, тем меньше будет изгибов. После снятия нагрузки лист примет первоначальную форму.

А теперь представьте, что полоса материала подвергается более высокой нагрузке — это вызовет податливость полосы и после снятия нагрузки полоса восстанавливает свою первоначальную форму.Это сила делает это возможным. Чем выше прочность материала, тем большую нагрузку ему потребуется, прежде чем последует постоянная текучесть.

Помимо прочности и жесткости, еще одним важным свойством для инженеров-проектировщиков является вес элемента, который определяется плотностью.

Жесткость материала измеряется модулем Юнга. Однако одного этого параметра недостаточно для определения жесткости материала без учета веса данного элемента.

Например, в случае велосипедной рамы (размеры, геометрия, толщина стенки) из двух разных металлов: стали и алюминия, стальная будет иметь в 3 раза большую жесткость, чем алюминиевая. Но если еще учесть вес элементов, то стальная рама, хоть и имеет в 3 раза большую жесткость, чем алюминиевая, но и будет в 3 раза тяжелее .

Эти числа являются приблизительными, поскольку на практике инженер-конструктор указывает геометрию для выбранного материала, например.грамм. в случае алюминиевой рамы велосипеда чаще всего увеличивают диаметр рамы и толщину стенок. В случае рамы велосипеда жесткость и прочность напрямую связаны с геометрией и толщиной стенок (увеличение толщины стенки в 2 раза приводит к увеличению жесткости примерно в 8 раз).

На самом деле существует много разных факторов, но именно отношение жесткости материала к его весу является общим знаменателем и упрощает сравнение и анализ различных материалов.

Отношение жесткости к весу (а именно удельный модуль) на практике является наиболее эффективным для определения жесткости материала , поскольку для большинства инженеров-проектировщиков жесткость и вес являются наиболее важными параметрами.

Углеродное волокно — это материал, обладающий жесткостью и прочностью при низкой плотности. — он легче алюминия и стали, что дает множество практических преимуществ.

Удельный вес, углеродное волокно обеспечивает в 2–5 раз большую жесткость (в зависимости от используемого волокна) , чем алюминий и сталь .В случае отдельных компонентов, которые будут подвергаться нагрузке только в одной плоскости, изготовленных из однонаправленного углеродного волокна, его жесткость будет в 5-10 раз больше, чем у стали или алюминия (того же веса).

В следующих таблицах сравниваются жесткость и устойчивость к повреждениям для различных материалов одного веса . Для целей анализа было применено двунаправленное углеродное волокно — одно из них чаще всего используется для производства композитов, а однонаправленное углеродное волокно — иногда используется, в основном для продуктов, в которых напряжение ожидается только в одной плоскости.

Анализ алюминия, стали и двунаправленного углеродного волокна на жесткость против веса и прочность против веса:

Анализ алюминия, стали и однонаправленного углеродного волокна на жесткость по отношению к весу и прочность по отношению к весу:

Приведенные выше данные для листов из углеродного волокна относятся к образцу, изготовленному с использованием технологии вливания эпоксидной смолы (соотношение углеродного волокна к смоле 70/30%).

Приведенное выше утверждение демонстрирует множество преимуществ, которые дает углеродное волокно, а также элементы, разработанные и изготовленные из углеродного волокна. Ткани с улучшенным и самым высоким модулем относятся к специальным материалам (к сожалению, очень дорогостоящим), которые обладают характеристиками жесткости в 2 или 3 раза больше, чем стандартное углеродное волокно, и используются в основном в военных приложениях и в аэрокосмической промышленности.

Чтобы интерпретировать результаты, представленные в таблице, представьте, что инженер-конструктор собирается сконструировать прочный и легкий лист из углеродного волокна толщиной 1 м ² с максимальным весом 10 кг. и он рассматривает алюминий, сталь и углеродное волокно.

Помня о предельном весе в 10 кг , инженер-конструктор может выбрать:

• Стальной лист толщиной около 1,5 мм.
• Лист алюминиевый около толщиной 4 мм.
• Углеродное волокно лист около толщиной 7 мм.

Углеродное волокно обеспечивает 2 важных преимущества.

Углеродное волокно обеспечивает большую жесткость (как описано выше) при более низкой плотности, и, следовательно, продукт того же веса может быть толще, что приведет к повышению жесткости только за счет увеличения толщины.Проще говоря, увеличение толщины материала в 2 раза обеспечивает жесткость 2 ³ — то есть примерно в 8 раз больше. Это дает много возможностей для снижения веса за счет использования углеродного волокна.

Очень часто инженеры-проектировщики ищут материал, который позволил бы им изготавливать компонент, идентичный алюминиевому по всем размерам, включая толщину .В таблицах ниже показаны сравнения жесткости и прочности компонентов такой же толщины, изготовленных из алюминия, стали и углеродного волокна. Обратите внимание, что компонент из углеродного волокна тех же размеров будет на 42% легче алюминиевого и более чем в 5 раз легче стального. Более подробная информация содержится в разделе 3. Вес / плотность материала .

Жесткость и прочность при одинаковой толщине стенки: для алюминия, стали и двунаправленного углеродного волокна:

Жесткость и прочность при одинаковой толщине стенки: для алюминия, стали и однонаправленного углеродного волокна:

Компонент, сделанный из стандартного углеродного волокна той же толщины, что и алюминиевый, будет иметь на 31% большую жесткость, чем алюминиевый , и в то же время вес меньше на 42% и на 60% больше прочности.

Использование углеродного волокна с более высоким модулем упругости и однонаправленной ткани может обеспечить в 4 раза большую жесткость по сравнению с алюминием при аналогичной или улучшенной предельной прочности.

Обратите внимание, что на практике сталь и алюминий имеют предел прочности ниже указанного в таблице.Это связано с тем, что до полного разрушения (расчет предела прочности был основан на этом моменте) металлический элемент подвергнется остаточной деформации (не восстановит свои первоначальные размеры).

Момент возникновения остаточного изгиба (без разрушения) относится к пределу текучести. Для устойчивости к повреждению в приведенных выше данных применяли предел прочности на разрыв, который относится к сопротивлению полному разрушению (растрескиванию).

Например, при гибке листового алюминия до полного разрушения и растрескивания образец сначала будет разрушен (без возможности восстановления исходных размеров).Данные, представленные в таблице, относятся к полностью разрушенным образцам (растрескиванию) с предположением, что изгиб приведет к полному разрушению (что не совсем правильно). Углеродное волокно имеет другие характеристики — в случае нагрузки, вызывающей постоянное изгибание алюминия без восстановления первоначальных размеров, углеродное волокно будет демонстрировать большую эластичность и после кратковременного изгиба восстановит свою форму после снятия нагрузки (эффект возврата пружины). Полное разрушение элемента из углеродного волокна произойдет внезапно и без какого-либо предупреждения — в отличие от алюминия, который имеет некоторые предупреждения, связанные с постоянным изгибом.Всегда помните вышесказанное при разработке компонента из углеродного волокна, чтобы предусмотреть некоторый допуск.

В ролике ниже представлено сравнение устойчивости к повреждениям приводного вала из углеродного волокна и стального, а также описан процесс разрушения материала:

Что касается интерпретации результатов в таблице, очевидно, что углеродное волокно с наивысшим модулем упругости обеспечивает исключительную жесткость. Однако устойчивость к повреждениям снижается с увеличением жесткости (более высокий модуль).

Другой пример: лист из углеродного волокна с максимальной жесткостью, сделанный из тканей с наивысшим модулем упругости, будет иметь меньшую устойчивость к повреждениям. Чем больше компонент армирован тканями с наивысшим модулем упругости, тем больше он будет подвержен разрушению при изгибе.

Дальнейший анализ будет проводиться с углеродным волокном со стандартным модулем упругости, а композиты, изготовленные из тканей с наивысшим модулем упругости, предоставят возможности благодаря углеродным композитам.

Обратите внимание, что и алюминий, и углеродное волокно могут использоваться в качестве «гибридов», которые придают детали другие рабочие характеристики. В случае алюминия это относится к сплавам вместе с другими металлами, а в случае углеродного волокна — к одновременному использованию арамидных, стеклянных, базальтовых или вектроновых волокон.

Очень распространены композиты кевлар и арамид-кевлар-углерод, которые обладают жесткостью и высокой устойчивостью к повреждениям. , но это будет предметом другого исследования.

Вес важен для многих продуктов.Например, снижает вес рукояти / улавливателя автоматизированной машины для тяжелых условий эксплуатации, которая работает со скоростью 10 м / сек. позволит увеличить его скорость и продлить срок службы. В промышленных масштабах это может привести к увеличению производственных мощностей и значительной экономии.

Другим примером может быть инвалидная коляска, уменьшение веса которой позволяет легче подниматься в машину и выходить из нее, а также обеспечивает лучший контроль. Это очень очевидно в случае гоночных автомобилей Формулы 1, где замена алюминия углеродным волокном привела к снижению веса, что является критическим в этом виде спорта.

Автоматическая стрела KUKA из углеродного волокна позволяет увеличить рабочую скорость и в то же время уменьшить ее вес, что приводит к снижению нагрузки на подшипники и другие детали, подверженные износу.

Из сравнения алюминия с углеродным волокном мы знаем, что плотность материала напрямую влияет на его вес.

Композиты из углеродного волокна имеют плотность 1,55 г / см ³ (эпоксидная смола 30%, углеродное волокно 70%), что в случае алюминия составляет 2,7 г / см ³ и 4,5 г / см ³ для титана или 7,9 г / см ³ для стали.

Композит из углеродного волокна имеет плотность почти в 2 раза меньше, чем у алюминия, и более чем в 5 раз меньше, чем у стали. Следовательно, в компоненте тех же размеров замена алюминия углеродным волокном снизит его вес на ~ 42% . Замена стали углеродным волокном снизит вес в 5 раз.

Чтобы проиллюстрировать это, представьте себе лист толщиной 6 мм и площадью 1 м ² .

Один квадратный метр листа углеродного волокна толщиной 6 мм имеет вес:

• 47,4 кг для стального листа
• 16,2 кг для алюминиевого листа
• 9,3 кг для листа из углеродного волокна.

При проектировании изделий и при выборе материала необходимо учитывать жесткость, а также прочность данного материала, как описано в разделах 1 и 2 настоящего исследования. На практике возможности снижения веса компонентов за счет замены алюминия углеродным волокном потребовали дополнительных испытаний и экспериментов. Каждый элемент относится к индивидуальному случаю с уникальной геометрией и параметрами. Обычно можно снизить вес на 20-40%, используя углеродное волокно.

BMW начала производство полных кузовов из углеродного волокна для своей модели I3.Кузов машины из углеродного волокна позволил снизить вес каждой машины на 300 кг. Ежегодно компания производит десятки тысяч таких автомобилей. На самом деле эта модель интересует больше клиентов, чем первоначально прогнозировала BMW.

Уменьшение веса за счет использования углеродного волокна возможно и выгодно, особенно для продуктов, для которых значительна направленная сила. В отличие от металлов, композиты не демонстрируют одинаковой прочности в любом направлении (не однородны). Фактически именно во время производственного процесса принимаются решения относительно направления тканей (при использовании однонаправленных тканей) и направления, обеспечивающего наибольшую прочность за счет снижения прочности в других местах. Это решение позволяет еще больше снизить вес компонентов из углеродного волокна.

Углеродное волокно из-за его низкой плотности является материалом, который легко обрабатывается станками с ЧПУ или ручными инструментами, включая угловую шлифовальную машину или дремель.

Хотя высококачественные конструкции из углеродного волокна, полученные вакуумным способом (наплавка смолы, препрег), могут иметь резьбу, там, где требуется много резьбовых соединений, вместо них используются специальные вставки.

Алюминиевые элементы соединяют чаще всего сваркой, клепкой или вставками. С углеродным волокном чаще всего применяется склейка, при необходимости с армирующими заклепками и вставками. Современные Эпоксидные клеи обеспечивают прочность склеивания, аналогичную сварке.

Интересно, что Ferrari постепенно внедряла новую технологию, которая заменила сварку алюминия склеиванием эпоксидным клеем . В настоящее время Ferrari 458 Italia имеет 70 м сварных швов и 8 м клея .Главный инженер Феррари Моруцци ожидает, что в будущем из-за изменения производственных процессов кузова автомобилей будут иметь больше склеивания, чем сварки. Для Ferrari это возможность использовать другие алюминиевые сплавы, которые обладают улучшенными характеристиками, но не поддаются сварке.

Сравнивая склеивание со сваркой, обратите внимание, что склеивание требует простого внедрения технологии (хотя требуются ноу-хау и опыт).

Технология склеивания широко используется в авиационной промышленности для уменьшения веса и, в то же время, снижения расхода топлива.

Однако склеивание имеет некоторые недостатки, в том числе подготовку поверхности или время, необходимое для приклеивания клеевого покрытия. Во многих случаях компоненты, которые могут подвергнуться удару (например, в автомобильной аварии), усилены специальными вставками для противодействия внезапной разрывной нагрузке.

будет использоваться чаще в связи с разработкой более мощных клеев и повышением осведомленности о ее преимуществах и возможных возможностях.

Каждый материал имеет разные характеристики теплового расширения.

Тепловое расширение связано с изменением размеров материала из-за изменения температуры. Углеродное волокно на практике демонстрирует почти нулевое тепловое расширение, поэтому оно широко используется в устройствах, включая 3D-сканеры.

Поскольку на практике углеродное волокно показывает почти нулевое тепловое расширение, оно широко используется в устройствах, включая 3D-сканеры .

Инженеры-конструкторы все чаще убеждаются во многих преимуществах углеродного волокна благодаря низкому тепловому расширению по сравнению с традиционными материалами, такими как сталь или алюминий. Углеродное волокно демонстрирует исключительные параметры в этом отношении и подходит, в частности, для высокоточных элементов, таких как оптические устройства, 3D-сканеры, телескопы и другие, где крайне важно минимальное низкое тепловое расширение.

Углеродное волокно (композит из углеродного волокна и эпоксидной смолы) — это материал с тепловым расширением в 6 раз меньше алюминия и более чем в 3 раза меньше стали.

В приведенной ниже таблице содержится анализ теплового расширения различных материалов с учетом соотношения дюйм / градус Фаренгейта. Указанные единицы предназначены только для справки в отношении различий между материалами.

6. Теплопроводность

Углеродное волокно — это материал с низкими характеристиками теплопроводности.

Теплопроводность в основном зависит от передачи / проводимости энергии из областей с высокой температурой в области с низкой температурой. Материалы с высокой теплопроводностью переносят температуру легче, чем материалы с низкой теплопроводностью.

Композит из углеродного волокна и эпоксидной смолы — это материал с теплопроводностью в 40 раз меньше алюминия и в 10 раз меньше стали. Следовательно, можно предположить, что углеродное волокно является очень хорошим изолятором.

В этой таблице сравнивается теплопроводность различных материалов, включая углеродное волокно (единица измерения Вт / м *)

7. Устойчивость к температуре

Алюминий — это материал, устойчивый к высоким температурам, и в этом отношении он имеет преимущества перед композитами из углеродного волокна.

Характеристики и устойчивость углеродного волокна к высоким температурам зависят от структуры композита и технологии выпечки. Это правда, что композит из углеродного волокна устойчив к высоким температурам , но, к сожалению, часто это не так. На самом деле это происходит из-за использования неподходящих материалов, неправильного обжига композита или недостаточного ноу-хау и опыта в этом отношении многих поставщиков композитов.

Для обеспечения устойчивости к высоким температурам во время производства могут использоваться только материалы, демонстрирующие такую ​​стойкость, при условии, что обжиг композита осуществляется надлежащим образом в диапазоне температур, близком к желаемой стойкости композита. Использование смол, устойчивых к высоким температурам, без дополнительного отверждения внутри духовки не обеспечит требуемой стойкости.

Стандартные эпоксидные композиты из углеродного волокна, прошедшие надлежащую термостойкость при температуре до 70–100 ° C (160–210 ° F).

Если требуется устойчивость к температурам выше 100 ° C, чаще всего подходит препрег из углеродного волокна , часто вместе с упрочнением композита при температурах около 150 ° C / 300 ° F, что обеспечивает повышенную стойкость до температур 200 ° C / 400 ° F. Например, Prepreg Gurit EP127 обладает стойкостью до 230 ° C / 445 ° F.

Если требуется устойчивость к более высоким температурам, используются фенольные смолы, и эти композиты обладают кратковременной стойкостью до 500 ° C / 930 ° F.

Хотя такое сопротивление может быть обеспечено для композитов, обратите внимание, что эти специальные материалы дороги и требуют не только закалки в печи при высокой температуре, но и ноу-хау. Поэтому все это приводит к высокой цене на композиты, устойчивые к очень высоким температурам.

Углеродный композит при строительстве должен изготавливаться вакуумным методом — настаиванием смолы или препрега.Такая технология обеспечивает долгий срок службы углеродного композита. Углеродный композит, изготовленный вручную «валиком и кистью», имеет низкую прочность и небольшой срок службы.

Углеродное волокно обладает стойкостью к коррозии, что дает еще одно преимущество по сравнению с алюминием.

Углеродно-эпоксидный композит имеет недостаток, связанный с пониженной стойкостью к УФ-излучению, поэтому композит, подвергающийся воздействию УФ-излучения, следует защищать путем нанесения верхнего покрытия, что в качестве дополнительного процесса приводит к более высоким производственным затратам.

Почему углеродное волокно не широко используется в производственных циклах, хотя оно имеет много преимуществ по сравнению с очень популярным алюминием?

Чаще всего это связано с ценой: элементы из углеродного волокна стоят дороже алюминиевых, потому что углеродное волокно стоит дороже, а производство углеродных изделий требует больше времени.

С другой стороны, при сравнении затрат, связанных с реализацией производства алюминия и углеродного волокна, во многих случаях именно производство элемента из углеродного волокна будет дешевле и, что более важно, доступно в случае небольшого тиража, для которого внедрение производства алюминиевых элементов было бы нерентабельным.

В следующем фильме показано производство элементов из углеродного волокна с использованием технологии препрега.
Наконец, мы должны упомянуть широко распространенное непонимание преимуществ и преимуществ углеродного волокна по сравнению с традиционными материалами, включая алюминий или сталь. Мы надеемся, что эта статья дает больше информации об углеродном волокне и о том, чем этот материал отличается от алюминия, а также о том, какие преимущества возможны при замене алюминия углеродным волокном.

10. Резюме

Мы надеемся, что это исследование предоставило больше информации о свойствах углеродного волокна по сравнению с алюминием. Со временем все больше и больше инженеров-конструкторов будут использовать этот материал, поскольку углеродное волокно предлагает множество преимуществ, включая легкий вес, практически нулевое тепловое расширение, простоту обработки и высокую жесткость.

Carbon в холодных условиях — VeloNews.com

Углерод холодный

Уважаемый Леннард,
Я читал вашу статью «Углерод на Солнце». По моему «субъективному» опыту, езда на холодном велосипеде (оставление его на зиму в гараже) карбоновая рама может вызвать повреждение. Я заметил уменьшение жесткости карбонового каркаса Trek после одного года использования. Я спросил об этом эксперта по композитам из Ball Aerospace, и он сказал, что «микротрещины» в матрице композита могут возникнуть, если углеродное волокно подвергнуть холодному циклу.Микротрещины уменьшают свойства жесткости матрицы.
Kraig

Уважаемый Крейг,
Я поговорил с Нилом Хаасом, инженером исследовательского центра True Temper в Сан-Диего. До работы в True Temper он работал в аэрокосмической отрасли и является гением инженерии. Он сказал:

«Компоненты CF (углеродное волокно) широко используются в ракетах-носителях / спускаемых аппаратах и ​​спутниках, где температура колеблется от перегрева до почти абсолютного нуля.Сверхнизкий коэффициент теплового расширения углеродного волокна делает его идеальным для таких экстремальных температур. Мне очень трудно поверить, что велосипед получил повреждение во время зимнего хранения в холодном гараже — независимо от земного местоположения. Я видел, как «зеленые» (не полностью отвержденные) краски и верхние покрытия трескаются в экстремальных температурных условиях, но никогда не сталкивались с композитной структурой CF.

Эксперт Ball Aerospace прав в отношении микротрещин, но не упомянул, что результатом могут быть только микроизменения жесткости.Модуль смолы значительно меньше модуля CF. Таким образом, небольшое разрушение смолы, хотя и является реальным, будет трудно измерить на испытательном приспособлении и, вероятно, будет незаметно для гонщика. Кроме того, смола составляет только 20-33 процента структуры, а 65-80 процентов — это CF. На этом этапе вы начинаете перемножать множество маленьких десятичных знаков вместе ─ и падение жесткости будет очень, очень небольшим.

Что касается пределов безопасной эксплуатации ─ Я бы больше беспокоился о высоких температурах, чем о низких, поскольку смола, обычно используемая в спортивных товарах, будет медленно разрушаться в течение длительного периода времени при температурах выше 220 F.Я бы не рекомендовал кататься на действующих вулканах, зданиях с защитными реакторами или слишком близко к солнцу ».
Леннард

Обслуживание неисправного

Уважаемый Леннард,
Пара проблем с моим тандемом ’97 Santana Arriva связана с группой компонентов. Он поставлялся с 8-ступенчатой ​​коробкой передач Shimano 105 STI и переключателями XT / XTR. Мы изношены правый переключатель передач из-за всех тех дополнительных переключений передач, которые можно сделать на тандеме. Сантана порекомендовала перейти на 9-ступенчатую группу в качестве апгрейда, потому что переключатели не подлежат ремонту.Я смешал Ultegra и XTR с 9 скоростями, и все заработало за определенную плату, но регулировка переднего переключателя более чувствительна и немного расстраивает, в то время как старая 8-скоростная была немного проще. Затем я совсем недавно узнал, что моя LBS регулярно ремонтирует переключатели STI. Действительно ли механизмы исправны? Насколько я понимаю, и недавний опыт показывает, что Campagnolo легко ремонтируется (эта маленькая пружина, такая дорогая, но так приятно снова работать), а Shimano STI — нет. И каков самый простой способ добиться правильного переключения и обрезки 9-ступенчатой ​​Ultegra?

Наконец, длительная и сложная работа по утилизации мусорного контейнера на Motobecane 70-х годов заставила меня нанести 28-процентный водный раствор аммиака в небольшой мениск на стыке штанги и стали в верхней части трубки вилки, чтобы освободить шток.Он действительно заморожен. Болт штока ослабился парой легких ударов. Мой коллега рекомендует заменить шток и планку, когда я получу их бесплатно. Что вы думаете о химическом подходе и замене?
Давид

Уважаемый Дэвид,
Если ваша мастерская может отремонтировать рычаг Shimano STI и заставить его снова работать, принесите его ему и посмотрите, как он работает. Shimano категорически не рекомендует этого делать. Эти рычаги полностью собираются роботами, и любой механик, который может повторить эту работу, ценится на вес золота.

Я однажды разобрал сломанный рычаг Ultegra 9-speed STI, чтобы починить его. Кажется, он до сих пор лежит в коробке на чердаке. Я помню, что мне пришлось сделать несколько инструментов, чтобы разобрать и собрать его. Я также помню, как встречал много пружин, которые было трудно заводить при сборке.

Что касается советов по настройке вашего переднего переключателя, мне нужно знать, какой у вас шатун — двойной или тройной. Но поскольку каждый тандем Santana Arriva, который я когда-либо видел, идет с тройкой, я рискну предположить, что он у вас есть.И я рискну предположить, что вы намного выше своего кочегара.

Тандемы, предназначенные для высокого капитана и короткого кочегара, часто имеют высокий нижний кронштейн для кочегара. Это сделано для того, чтобы избежать минимального удлинения подседельного штыря для кочегара или круто наклонной верхней трубы, что привело бы к значительному удлинению подседельного штыря для капитана. Поднимая нижний кронштейн стокера (и делая нижний кронштейн капитана как можно ниже), верхняя труба может иметь более пологий наклон к спине, сохраняя при этом удлинение подседельного штыря в пределах нормального диапазона для обоих гонщиков и поднимая кочегар достаточно вверх. чтобы было легче видеть за / мимо капитана и не прижимать ее / его нос к заднице капитана.

Итак, какое отношение имеет каретка с высоким стокером к регулировке переднего переключателя? На самом деле, довольно много. Тройные передние переключатели имеют большую форму внутренней пластины клетки. В стальной пластине запрессованы разные канавки, по которым они могут заходить на каждой из трех передних звезд. Эти канавки расположены довольно точно, а участки между ними, выступающие в сторону цепи, помогают поднять цепь при переключении на большую переднюю звезду. Однако, чем выше нижний кронштейн, тем больше цепь будет наклонена вниз к зубцам, а не вверх к ним, как при стандартной высоте каретки шоссейного велосипеда.Таким образом, если нижний кронштейн значительно выше, чем планировалось Shimano при разработке этого переднего переключателя, цепь, наклоняясь под большим углом вниз, будет тереться о верхний угол выступающих внутрь участков внутренней пластины клетки. Будет чрезвычайно сложно, а может быть, даже невозможно отрегулировать передний переключатель таким образом, чтобы он правильно переключался и не натирал цепь при малейшей перекрестной передаче.

Это всего лишь предположение о том, что может происходить с вашим велосипедом, но если у вас тройник, я бы проверил высоту каретки, а также поищу точные трения на выступах внутренней клетки переднего переключателя. пластина, которую я описал.Если у вас есть эта проблема, есть решение: передний переключатель FSA. Компания FSA представила свой передний переключатель, когда впервые представила компактные двойные кривошипы, потому что стандартные двойные передние переключатели не были очень эффективны при переключении на них. У него нет выступов на внутренней пластине каркаса, а хвост спускается достаточно низко, чтобы цепь не сходила с передней звезды (на велосипеде с высокой кареткой). Я обнаружил, что это отличный передний переключатель для велосипедов с тройной и высокой кареткой.В Zinn Cycles у нас большой опыт решения этой проблемы, потому что мы строим так много рам для высоких людей, используя необычно длинные кривошипы — от 200 до 220 мм — с соответственно высокими нижними кронштейнами. Раньше мы оснащали очень большой процент этих мотоциклов тройными шатунами (реже, когда у дорожных двойных задних переключателей намного больше передаточного числа), и мы не могли найти ни одного тройного переднего переключателя, который бы работал.

А что касается использования аммиака для освобождения стебля, это хорошее решение.В октябре прошлого года я написал колонку о том, как освободить застрявший подседельный штырь, и большая часть писем, которые я получил, касалась рекомендации аммиака, а не проникающего масла (которое растворяет стальную ржавчину, но не оксида алюминия), а также некоторых других методов быстрого охлаждения детали. помимо разряда картриджа инфлятора CO2, как я предложил. Вот некоторые из этих букв.
Леннард

Освобождение замороженных

Уважаемый Леннард,
Аммиак очень хорошо растворяет коррозию между AL и сталью.(Liquid Wrench не работает). Я предполагаю, что это работает с Carbon и AL, но я не совсем уверен.

Я освободил застрявший шток с помощью жидкого азота. Как вы знаете, он намного холоднее, чем Ice, и его легко получить на любом факультете физики университета ─ на факультете просто нужно найти скучающего аспиранта или велосипедиста. Поскольку коэффициент расширения AL намного больше, чем у стали, деталь AL будет усаживаться значительно больше, чем у стали (я думаю, что он был более 0,002 дюйма, но, возможно, был значительно больше ─ следует повторить расчет).

Сухой лед тоже довольно холодный, и его легко достать.
Грег

Уважаемый Леннард,
В следующий раз попробуйте прямой аммиак для удаления застрявших алюминиевых деталей. Аммиак растворяет оксид алюминия. Я знаю, что он подходит для алюминиевых стержней, застрявших в вилках CroMoly, и готов поспорить, что он подойдет для алюминиевых подседельных штырей и / или карбоновых подседельных штырей, застрявших в алюминиевых рамах.
Ларри

Уважаемый Леннард,
Просто подумал, что хочу указать, что видел несколько карбоновых рам, поврежденных коррозией от пота при использовании ветряных тренажеров.

были воткнуты в рамы, но стопоры тросов на верхней трубке также окислились и полностью сломались, что потребовало повторного приклеивания / заклепки и оставило неприглядные пузыри на верхнем слое лака.

Я не могу достаточно переубедить своих клиентов, что любой велосипед , используемый на ветротренажере, требует частой очистки чистой водой, и время от времени стоит вытаскивать подседельный штырь.
Оли Брук-Уайт
ROADWORKS / Jazz Apple Cycling Team

Следите за сообщениями Леннарда в Twitter по адресу www.twitter.com/lennardzinn