この質問 で考えさせられました。カーボンフレームを使うことが可能ならばそうしたいのですが、費用と自分のライディングスタイルからスチールやアルミを使うことにしました。
カーボンが弱くて壊れやすい素材で、繊細に扱われる軽快なバイクに適している**物理的な理由を探しています。彼らはこの材料から飛行機を作っていることを覚えておいてください!
カーボンファイバーは子供用の手袋で扱わなければならない理由があるのでしょうか？軽くて強いのに抵抗があるのは何か理由があるのでしょうか？それとも、カーボンの弱点は神話であり、現在のカーボンバイクのフレームの作り方が全てなのでしょうか？
炭素繊維は必ずしも「弱い」「壊れやすい」素材ではありません。もしあなたが典型的な鉄骨管と同じ直径と太さの典型的なCFの管を持っていたとしたら、そのCF管は非常に強く、耐久性があるでしょう
スチールやアルミニウムのような金属は等方性の材料です。つまり、それらの機械的性質は全ての方向で同じであることを意味します。もしあなたが立方体の鉄を持っていたら、どの方向に引っ張ったり押したりしても同じように反応します。それは、繊維の小さな束をエポキシ樹脂で固めたもので構成されています。
鉄の塊は、まあ、鉄のようなものですが、炭素繊維は、ストローの大きな束を接着したようなものです。一方向には非常に強いのですが、横に押したり引っ張ったりすると崩れてしまいます。その一方向に強いという点では、鉄よりも圧倒的に強い。その特性を自転車のフレームに生かすことができるようになったんですね。自転車のフレームでは、力の大部分は一次元に沿って第一に行われます。そのため、チューブを細く軽くしても、強度と剛性を保つことができるのです。スチールやアルミのフレームよりも軽くなるでしょう。しかし、それが行われていないのは、市場があるからです。炭素繊維は高価な材料であり、一緒に作業することは困難であり、その機械的性質は、あなたが非常に軽いアプリケーションを要求するときに最適です。
あなたが鋼のフレームの自転車を構築するときには、チューブを十分にその長さに沿って十分に強いを得るときには、鋼の等方性の特性のために、あなたは無料で横方向の強度を得る、クラッシュなどに耐えて、それにぶつかるものに抵抗するための強度。カーボンファイバー製のバイクでは、重量が気になるところでは、エンジニアリング上の決定により、その部分ではフレームを強くしないようにしています。彼らはそうすることができましたが、彼らはそれがバイクの目的のために必要ではないので、彼らはそうしないことを選択しました。特にあなたのパニアの中のカップル満たされた水のボトルを投げるときは、ほぼ重量の節約を超えています。
最初に免責事項：炭素繊維の製造について私が知っていることのほとんどは、航空機から来ているnot自転車。また、炭素繊維は使用される唯一の複合材ではないことにも注意してください – 1つの代替案として、ケブラー繊維も同様に有用であることができます (ケブラーは強いですが、カーボンよりも柔軟性があります)。これは基本的に布（炭素繊維を織り上げたもの）だからというのが大きいです。一点に大きな応力をかけると、その応力は炭素繊維の一部にしかかかっていません。繊維自体は（その重量のために）非常に強いですが、個々の繊維を一緒に保持する結合ははるかに弱いです。比較のために、その長さに沿って実行されているグラスファイバーを持っているパッキングテープを考えてみてください。グラスファイバー自体は非常に強いですが、それらを一緒に保持しているプラスチックと「グー」のストリップはかなり弱いです。細かいところは違いますが、炭素繊維にも同じような考え方があります。先ほども言いましたが、炭素繊維は基本的には糸を布に織り込んだものから始まります。布は、エポキシ（使用される正確なエポキシは、アプリケーションによって異なります）のいくつかの並べ替えを含浸させ、金型に敷設され、真空袋詰め1、その後、エポキシを硬化させるために焼いた。あなたは、様々な異なる織り方で布を得ることができ、各方向に実行されている炭素繊維の同じ量のいくつかの、他の（と言う）一方向の炭素繊維の80％、および他の方向にのみ20％と他の。推測ですが、自転車のフレームに使用されているCFのほとんどは後者に近いもので、糸のほとんどがチューブの長さに沿って走っていて、チューブの外周に沿って走っているものはかなり少ないと思います。圧縮荷重を主に受けるところでは、一般的には約2倍のプライがあるでしょう。外側の空気圧で布の層をしっかりと保持して、焼き上げたときに、別々の層ではなく単層として機能するように（しようと）しています。これは、ストレッチしたときの強度にはほとんど影響しませんが、圧縮や曲げを受けたときには非常に大きな影響を与えます。
炭素繊維は非常に強い素材ですが、他の素材と同じように、他の素材よりも優れたことをするものもあります。ウィキペディア](http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fiber)より:
炭素繊維は伸びたり曲がったりすると非常に強いですが、圧縮されたり高い衝撃にさらされると弱いです（例えば、炭素繊維の棒は曲げるのは非常に難しいですが、ハンマーで叩くと簡単に割れてしまいます）。しかし、ある種の力（鋭い衝撃など）が加わると、繊維やエポキシ樹脂が損傷し、素材が弱くなってしまうことがあります。また、小さなクランプは、十分な力を与えられたCFチューブを押しつぶすことができます（あなたも薄肉のアルミチューブでこれを行うことができますが、それはより多くの努力が必要です）。
また、カーボンファイバーは十分な強度を持っていますが、スチールや（ある程度は）アルミのように延性があるわけではないということも指摘しておくべきだと思います。金属製のフレームにかなりの大きさのへこみを入れても、それに乗って帰ることはできますが、カーボンファイバーにへこみを入れてしまうと、おそらくチューブ全体が壊れてしまうので、その上に乗るのはやめた方がいいでしょう。カーボンファイバーはもっと脆いので、変形とは破断を意味しますが、金属の場合は通常、何かが伸びたり圧縮されたりすることを意味します。
前述のように、CFフレームの一般的な製造方法は、予想される荷重とフレームに要求される性能（例えば、リジッド vs サプル/フレキシブ）に応じて強度特性を最適化するために、異なる方向性の樹脂を含浸させた繊維を何層も重ねることを含みます。この意味で、CFは最軽量化のための要件に合わせて、より正確に調整することができます。すべてのエンジニアリングの問題と同様に、妥協点があります。各層は基本的に二次元であり（平板のx軸とy軸を考えてください）、三次元目の厚さ（z軸を考えてください）は繊維の層の蓄積に過ぎませんが、それ自体は繊維の強度を持っておらず、すべての繊維を束ねている樹脂マトリックスの強度だけです。つまり、CF複合材の構造が最も弱いのは材料の厚さです。そして、一般的な故障のモードは層間剥離（層間の結合が破壊される）として知られています。これは表面への衝撃によって起こる可能性があり、層間剥離は外部からは見えません。スキャンだけが損傷の程度を検出することができます - ローテクな方法は、表面を叩いて、タップの音の変化を聞くことを含みます - それは訓練された耳を必要とし、層間剥離による音の変化を区別するために素人にはあまり明白ではありませんが、下層のレイアップ（接合部などの近くにある外部の層）の変化を言います。それは、古い衝撃がフレームの強度を脅かし、予期せぬ突然の致命的な故障につながる可能性があるからです。
だから私にとっての大きな疑問はいつもそうでした - もし私がCFバイクをクラッシュさせた場合、どのように私は名声がまだ構造的な整合性を持っていることを知っているのでしょうか。層間剥離のリスクに対する答えは、繊維がz(厚さ)次元でも走る複合材にあります。これは、繊維が層をつなぎ合わせたり、ロックしたりする「ニット」繊維構造によって達成される可能性があります。私の知る限りでは、まだこの技術を使用しているメーカーはありません（高価な - 軍事/航空宇宙予算タイプのもの）。彼らは、事前に含浸繊維法の伝統的なレイアップを続けています。いくつかのメーカーは、自転車のフレームで1つのチューブから別のものに繊維を一緒に “織り "の話をしますが、私はこれがより高度な製造技術の層を介して "編み "だと思いません。