Смола - это невоспетый герой, который скрепляет вашу карбоновую раму, и он так же важен для производительности
Спросите большинство дорожников, из чего сделана рама их велосипеда, и ответ, скорее всего, будет «углерод». Спросите любого, кто занимается изготовлением велосипедных рам (или других изделий из этого тканого чудо-материала), и вы получите более сложный ответ.
«В велосипедной индустрии мы обычно слышим разговоры об углероде, но на самом деле это слишком упрощенно - обобщение», - говорит Томас Лешик, глава инженерного отдела немецкого производителя колес Lightweight. «На самом деле это матрица из углеродных волокон и эпоксидной смолы. Более точным термином является CFRP – пластик, армированный углеродным волокном.’
Итак, наши желанные кони – это не более чем усиленные пластиковые велосипеды. Это простая аббревиатура, которая во многом объясняет важность смол, которые являются пластиковой (или полимерной) частью углепластика. По сути, смола придает композитному материалу жесткость. Как сказал Фил Демпси из компании Aprire, специализирующейся на велосипедах из углеродного волокна: «Углеродное волокно - это просто ткань. В одиночку это просто кусок ткани».
Когда дело доходит до описания продукта и сопутствующей маркетинговой пропаганды, бренд или тип углеродного волокна (например, Toray, T800, 65HM1K, сверхвысокий модуль) обычно превозносится как фундаментальная характеристика характеристик готового продукта. Как будто больше ничего и не нужно, но на самом деле волокна составляют чуть более половины материала каркаса. Остальное - эпоксидная смола, которая явно должна играть важную роль в работе современного велосипеда. Почему же тогда маркетинговая реклама редко упоминает об этом?
Азбука углепластика
| CFRP |
Пластик, армированный углеродным волокном (или полимер). Упомянутый композитный материал в качестве углерода или углеродного волокна. |
| Вылечить |
Процесс приложения тепла и часто давления к конструкции из углепластика для «затвердевания» смола и придает жесткость готовому изделию. |
| Волокна | Углеродные нити, сотканные или связанные вместе для создания армирующего элемента конструкции из углепластика. Часто называют «филаментами». |
| Плесень | Физический компонент, внутри и вокруг которого укладываются листы углеродного волокна для создания каркаса. |
| Складная книга | По сути, это книга прославленных выкроек для шитья. В них подробно описывается, как режется и собирается каждый отдельный кусок углеродного волокна, и это самые охраняемые секреты. |
| Препрег | Листы из нитей углеродного волокна, пропитанные неотвержденной смолой. |
| Смола | Жидкий полимер, используемый для связывания волокон внутри конструкции из углепластика. |
Инсайдерские знания
Чтобы понять роль смолы в готовом велосипеде из углеродного волокна, нам нужно понять производственный процесс и то, как смола включается в него.
По сути, существует два типа конструкции из углеродного волокна: мокрая и сухая. Для мокрого производства компания закупает ткань из углеродного волокна, уже пропитанную смолой, известную как препрег. Эти липкие листы укладываются в форму или вокруг нее, а затем отверждаются с использованием тепла и давления для придания жесткости. Технология изготовления настоя сухой смолы может принимать две разные формы. Первый похож на то, как происходит производство препрега: вырезанные формы из сухой ткани укладываются на форму, а смола добавляется как часть процесса отверждения. Второй метод, используемый такими компаниями, как Time и BMC (с их велосипедами Impec), включает в себя натяжение непрерывной трубчатой структуры, похожей на носок, на форму на один отрезок. Отсюда смола добавляется под давлением к уже сформированным формам.
Giant - единственный бренд, который производит всю свою собственную продукцию из углеродного препрега от «катушки до финиша», то есть покупает углеродное волокно в виде нити на больших катушках, добавляет собственную смолу и продолжает производить свои рамы, стержни, выносы и аксессуары. Таким образом, Giant кажется хорошей компанией, чтобы спросить о важности смол.
Дэвид Уорд, менеджер по продуктам и обучению компании в Великобритании, говорит: «Наша нить из углеродного волокна доставляется напрямую от Toray [крупнейший в мире производитель углеродного волокна] в помещение для намотки. Оттуда он направляется на ткацкие станки и сплетается в огромные листы углеродной ткани. Смола добавляется после плетения. Смола находится в желобе над роликовым узлом и передается на движущуюся ткань, наносимую на нити с помощью роликов». препрег углеродное волокно. Но хотя механизм может быть простым, точность, воспроизводимость и контроль жизненно важны для целостности конечного продукта.
«Смола должна протекать и идеально покрывать каждый филамент», - говорит Уорд. «Хорошее распределение смолы жизненно важно для получения хорошего препрега на выходе из производственной линии». Демпси из Aprire добавляет: «Очень важно, чтобы смола проходила через слои. Если вы ошибетесь со смолой, у вас треснувшая рама. Это действительно важно».
В самом разгаре
«Поскольку смола составляет 40% рамы Giant после отверждения, смола является очень важной частью», - говорит Уорд. «После термореактивного [отверждения] именно смола придает конструкции жесткость». В дополнение к основным структурным свойствам смола играет еще одну жизненно важную роль. Демпси говорит: «Вы должны переносить напряжения с одной части на другую. Именно смолы позволяют передавать нагрузки между слоями волокон».
Разные смолы влияют на характеристики конечного продукта. Демпси говорит: «Если смола слишком вязкая, она не пройдет через углерод, и в итоге вы получите волокна, соприкасающиеся друг с другом. В идеале вы хотите, чтобы они были разделены поминутно.’
Затем возникает проблема сжимаемости, которая влияет на толщину углеродных структур. «Различные добавки в смоле будут влиять на сжимаемость», - говорит Демпси.«Вы можете получить различную толщину слоя в зависимости от характеристик смолы. Как правило, более дешевые смолы будут толще. При использовании хорошей смолы углеродные волокна могут находиться на расстоянии микрона друг от друга. Это дает вам более тонкие стенки для тех же прочностных качеств, что означает более легкую раму. Более дешевая смола оставляет больше материала между волокнами и слоями».
Поскольку Giant полностью производит продукцию собственными силами, она смогла разработать собственные смолы. Уорд говорит: «Сейчас мы занимаемся разработкой смолы третьего поколения. Все более мелкие детали процесса формования и отверждения зависят от свойств смолы - температуры, при которой происходит отверждение, и времени, которое требуется для отверждения». Из-за широкого диапазона цен на свои углеродные продукты Giant использует два типа смолы. «Наша стандартная смола используется во всех линейках продуктов, кроме продуктов Advanced SL», - говорит Уорд. «Для Advanced SL мы используем нанотехнологическую добавку. Наночастицы повышают ударопрочность наших рам на 18% без негативного влияния на жесткость или вес. Однако они стоят намного дороже».
Дополнительным побочным продуктом частиц является улучшенное уплотнение стенок во время отверждения. «Наночастицы позволяют смоле заполнять микропоры в слое. Смола на самом деле течет лучше, уменьшая вероятность образования пустот и уменьшая толщину стенок», - добавляет Уорд.
Роль смолы в сокращении пустот является ключевым моментом в структурной целостности рамы, как объясняет Демпси. «Пустоты в смоле - это дыры, которые накапливают напряжение», - говорит он. «Это потенциальные точки отказа, и пустоты разрушаются, раздуваясь, когда слои расслаиваются. Вы по-прежнему можете получить расслаивание без пустот, но вам нужно стремиться к минимальному количеству воздушных карманов в композите».
Помимо передачи нагрузки, толщины стенок и прочности, смолы могут влиять на плавность хода велосипеда. Демпси говорит: «С простой точки зрения, вы можете думать о смолах как о двухкомпонентном продукте в стиле Araldite, состоящем из смолы и отвердителя. Количество отвердителя, используемого с данной смолой, может существенно повлиять на ходовые качества. Для хорошей рамы велосипеда вам нужно немного гибкости в отвержденной смоле, чтобы обеспечить передачу напряжений между слоями углеродного волокна. Вы можете получить это, используя более прочную смолу с меньшим количеством отвердителя. Умные дизайнеры могут получить более жесткую или более подходящую структуру для заданного веса. Вы не можете полагаться на жесткость смолы, но как инженер вы должны знать о потенциальных свойствах, которые смола может придать готовой конструкции».
Смолы явно важны для качества готовой рамы, поэтому мы возвращаемся к вопросу, почему мы так мало слышим о них.
«Смола - это средство, а не драйвер функциональности», - говорит Демпси. «Смола позволяет нам склеивать различные слои углеродного волокна, например, от T700 до T800, чтобы использовать различные свойства волокон. Это трудно продать, и очень трудно раскрутить, но роль, которую они играют, не следует недооценивать».
Дэвид Уорд из Giant выразился более лаконично: «Смолы - это всего лишь клей. Они просто несексуальны».
Горячий момент
Учитывая, что большинство производителей велосипедов используют препрег-углерод, их выбор ограничен с точки зрения использования смолы для улучшения характеристик рамы. Но это не останавливает людей, ищущих новые направления, или побуждающих производителей смол и препрегов производить разные продукты.
Демпси говорит: «Мы работаем над тем, чтобы партнеры производили смолу, которая не испаряется при комнатной температуре. Одним из ограничивающих факторов при проектировании является то, что как только вы достаете препрег из холодильника, он начинает отверждаться на воздухе. Он никогда не станет полностью твердым вне печи для отверждения, но он «уйдет». Предварительная пропитка, которая позволила бы нам использовать более сложный процесс укладки и развить нашу книгу слоев [см. глоссарий слева] до желаемого уровня, позволила бы нам получить гораздо больше от нашего конечного результата. Для нас это было бы блестяще».
Одна из областей, где смолы играют огромную роль, - это производство карбоновых колес. Здесь смолы играют ключевую роль не только в структурной целостности и жесткости колеса, но и в эффективности торможения.
Лещик из Lightweight говорит: «Самое слабое место смолы - ее температурное поведение. Большинство смол имеют проблемы при температурах выше 150°C. За последние 10 лет мы увеличили термостойкость наших смол в три раза».
Почти каждый велосипедист слышал ужасную историю о том, как карбоновое колесо выходит из строя на длинном спуске из-за накопления тепла, но что на самом деле происходит, когда тормозная колодка встречается с ободом? Лещик говорит: «Трибология - это наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительном движении. Он включает в себя изучение и применение принципов трения, смазки и износа. Торможение на ободе из углепластика с резиновыми тормозными колодками во влажных или сухих условиях является одной из таких трибологических систем. Оптимизация этой системы для повышения эффективности торможения невозможна без термостойких смол».
Как и в случае с рамой, добавки в смолы повышают термостойкость и повышают цену. Одной из таких добавок является керамика – кремнезем. Хотя Aprire не производит колеса, Демпси понимает процесс: «Смолы имеют огромное значение в структуре карбонового обода. Например, добавление диоксида кремния отводит значительное количество тепла от корпуса конструкции и позволяет воздушному потоку охлаждать обод намного лучше, чем при использовании стандартного обода из углепластика. Медь была бы отличной добавкой, так как она способна поглощать огромное количество тепла, но сера может просочиться в смолу, если влага проникнет через какие-либо микротрещины. Это привело бы к почти неизбежному расслаиванию. Радиаторы - сетки внутри смолы - имеют большой потенциал. Эта технология вполне может появиться».
Лещик Lightweight также очень верит в разработки смолы: «Мы смотрим на оптимизацию ободных тормозов. Мы уверены, что с помощью интеллектуальных смол мы сможем дать водителю такие же тормозные характеристики, как и у дисков, без единого лишнего грамма веса».
Суровая правда
Ясно, что смола - невоспетый герой процесса сборки велосипеда. Это может повлиять на жесткость, прочность, вес, безопасность и цену изделий из углеродного волокна, так что можем ли мы ожидать, что производители начнут лирически восхищаться чудесами своих липких материалов? Наверное, нет, потому что это всего лишь часть сложной системы. Высококачественная смола не компенсирует некачественное углеродное волокно или скучные методы строительства. Как говорит Лещик из Lightweight: «Каждый раз одно и то же: чтобы приготовить вкусный торт, нужны правильные ингредиенты в правильном соотношении, хорошо приготовленные».
Углеродный жаргон: что все это значит?
