Карбон, титан или алюминий?

Попробуем взглянуть на выбор велосипедной рамы немного с другой стороны, нежели цена. То есть, рассмотреть материал для ее изготовления, основываясь на физических и прочностных характеристиках материалов.

Для этого обратимся к некоторым терминам и определениям физики твердого тела, а именно теории упругости.

Правильный выбор материала является сложной задачей, однозначное решение которой позволяет оптимизировать технологию изготовления, повысить долговечность конструкции в целом. Сейчас для производства велосипедных рам класса hi- end используются только три конструкционных материала: алюминий, титан и карбон. Первые два – это металлические сплавы, а последний - композиционный материал на основе углеволокна и эпоксидного связующего.

Основной механической характеристикой конструкционного материала является предел прочности. Это отношение значения растягивающей силы непосредственно перед разрывом к наименьшей площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Для карбона (на основе углеволокна Т700) эта величина порядка 1500 МПа, для титанового сплава (3 Al/2.5 V) порядка 800 МПа, для алюминия (6061) порядка 60 МПа. В скобках приведены марки, наиболее часто используемые в велосипедной индустрии.

Следующая важная характеристика – предел текучести, напряжение при котором начинает возникать пластическая деформация, другими словами, при разгрузке от которого возникает остаточная деформация заданной величины. Для карбона такие данные не приводятся, для титана порядка 300 МПа, для алюминия порядка 20 МПа.

Ну и в завершение насколько слов о плотности. Чем меньше плотность, тем легче материал. Плотность карбона около 2 г/см3, титана 4,5 г/см3, алюминия 2,7 г/см3.

Из вышесказанного следует, что у каждого материала есть свои сильные и слабые стороны. Однако, для велосипедной специфики нельзя выделить какое то одно определяющее свойство материала. Например, при лучших прочностных/весовых характеристиках, карбон очень хрупкий и боится ударов и царапин. Алюминий легкий, но пластичный и с низкими прочностными свойствами. Титан прочный и упругий, но сравнительно тяжелый.

Истинная картина проясняется, если рассмотреть свойства каждого материала в целом. Тогда бесспорным лидером становится титан. Это обьяснимо.

Причиной разрушения велосипедной рамы являются не чрезмерные нагрузки, а накопление в процессе эксплуатации изделия мелких внутренних повреждений (которые принято называть трещинками или дислокациями), спровоцированное периодическим влиянием внешних сил (напряженного состояния). Определяющей характеристикой металла, так или иначе реагировать на напряженное состояние, является пластичность.    

Пластичность металла есть функция его состояния, зависящая от внешних и внутренних факторов, которая выражается в способности твердых тел необратимо менять свою форму без разрушения   под действием приложенных сил. Другими словами, существует некоторая максимальная величина нагрузки, при достижении которой происходит разрыв межмолекулярных связей кристаллической решетки металла, что ведет к образованию внутренних дефектов структуры, которые не могут исчезнуть, а могут только накапливаться. Анализ показал, что у большинства конструкционных металлов наиболее типичным является разрушение, которое начинает развиваться задолго до достижения такой максимальной нагрузки. Виной тому циклические нагрузки. При этом пластические деформации и разрушение оказываются связанными настолько тесно, что их можно рассматривать как единый процесс с общей энергией активации.

Установлено, что разрушению материала от усталости (при циклических нагрузках) предшествует накопление локальных микросдвигов и, следовательно, появление пластических деформаций, исчерпание которых приводит к местным разрушениям.

Всё это говорит о том, что пластичные металлы более подвержены накоплению неупругих деформаций (усталости) и следовательно ресурс их значительно ниже.

Физической характеристикой пластичности металла является предел текучести (условный предел текучести). Эта величина определяет усилие при котором в материале появляется пластическая деформация. Чем меньше предел текучести, тем пластичнее материал, а следовательно меньше его ресурс. Предел текучести алюминия в 15 раз меньше, чем у титана!

Ещё одной причиной разрушения конструкционных материалов являются внешние дефекты (царапины). Стойкость материала к царапинам определяется твердостью. Твердость титана по Бриннелю составляет 103 ед., а у алюминия 25 ед., то есть у титана она в 4 раза выше!

У титана, согласно этой характеристике, есть ещё одно большое достоинство – он очень долго сохраняет первоначальный внешний вид и легко его восстанавливает (с помощью дополнительной механической обработки).

Суммируя всё сказанное, получается, что применительно к велосипедной раме титан выглядит материалом практически идеальным. Также это можно сказать про сочетание титана и карбона (углепластика). Однако, дорогой читатель, окончательный выбор всё равно остаётся за Вами.

Материалы рам. Алюминий, карбон, сталь, титан

Сталь является первым материалом, из которого начали изготавливать велосипедные рамы. В последнее время она снова стала популярной, поскольку появились новые технологии, которые позволяют изготавливать материал, удовлетворяющий высоким требованиям современного велоспорта. Сталь надежна, она проста в ремонте и относительно недорогая, хорошо гасит вибрации и меньше накапливает усталость, поэтому стальные рамы имеют более долгий срок службы, как только рама начинает стареть, на ней появляются ржавчина и трещины, она может сломаться, но стальная рама будет жить в два раза дольше остальных.

Рамы изготавливаются из нескольких типов стали:

-   низкоуглеродистая (рама тяжелая, подвержена коррозии);

-   hi-ten (более прочные и жесткие, обычно устанавливаются на велосипедах начального уровня);

-   хромомолибденовая (обладает меньшим весом, более прочная, менее подвержена коррозии, достаточно хорошо гасит вибрации, используется на профессиональных байках).

Стальные рамы легко ремонтируются, при поломке их можно восстановить, используя обычный сварочный аппарат, для защиты от коррозии рама покрывается специальным раствором.

Алюминиевые рамы сейчас самые распространенные, применяются почти на всех видах велосипедов. В велосипедных рамах применяется не чистый алюминий, а его сплавы с цинком, магнием и кремнием. Алюминиевые рамы легче, практически не подвержены коррозии, а благодаря современным технологиям гидроформинга и баттинга очень прочные и жёсткие. Технологии позволяют выполнять рамы сложной геометрии, профилировать трубы с рёбрами жёсткости и усилениями в нужных узлах, что даже позволяет давать им пожизненную гарантию.

Баттинг и гидроформинг это две технологии облегчения, увеличения жёсткости и прочности алюминиевой рамы.

Баттинг - с помощью изменения толщины стенок алюминиевой трубы. Для увеличения характеристик на нужном участке идёт наращивание толщины стенок, а в ненапряжённых участках снижение толщины.

Гидроформинг - изменение профиля трубы с круглого на овальный, треугольный или многогранный в зависимости от нужных параметров на конкретном участке трубы. Наращивание рёбер жёсткости происходит под высоким давлением воды, что позволяет улучшить конечные характеристики рамы, но увеличивает её стоимость.

Традиционно при изготовлении рам используется три вида алюминиевых сплавов 6061, 7005 и 7075. Из них 7005 и 7075 являются наилучшими для начального ценового диапазона ввиду меньшей стоимости, но из-за высокой хрупкости этих сплавов только рамы из 6061 алюминия поддаются гидроформингу, поэтому его применяют в более дорогих рамах.

Карбоновая рама производится с помощью температурной обработки углеродных волокон, которые пропитаны специальными смолами. Эти рамы высокопрочные, жесткие, по сравнению с рамами из других материалов – легкие не в ущерб надёжности. Это отличная рама для велосипедистов, но высокая цена делает ее недоступной для простых велолюбителей. В случае ремонта это будет стоить дорого, но вот сломать ее простым катанием невозможно, только ударами об камни из-за хрупкости карбонового материала. Но даже несмотря на малую устойчивость к точечным ударам этот материал завоёвывает всё большее внимание производителей. Из них делают даже рамы для экстремальных дисциплин самых верхних уровней.

Титановые рамы не получили широкого распространения ни в любительском, ни в профессиональном велоспорте. Они существенно дороже алюминиевых, поэтому их не устанавливают на велосипеды среднего уровня, по стоимости почти равны карбоновым, но при этом имеют несколько худшие характеристики при большем весе. Титановые рамы почти не поддаются ремонту и сварке, а также накапливают так называемую усталость как и алюминиевые, поэтому из-за длительной эксплуатации могут появиться трещины. Но по сравнению с карбоновыми они менее чувствительны к ударам, что несмотря на их больший вес делает их отличным выбором для туристического велосипеда.

Дибонд

Композитный материал Дибонд давно занял прочное место среди материалов для производства наружной рекламы. Этот материал производит немецкая компания Alcan Singel Gmbh. Он выпускается в виде листов, имеющих суммарную толщину 2, 3 или 4 мм и размеры 1500х3050 мм или 1500х4050 мм. На данный момент производитель предлагает 7 цветов окраски поверхности материала – белый, серебристый металлик, красный, синий, желтый, зеленый и черный. Окрашенными могут быть как обе поверхности листа, так и одна – лицевая.  Лист Дибонда состоит из двух слоев алюминия толщиной 0,3 мм и основы из полиэтилена толщиной от 1,4 до 3,4 мм. Применением именно такой трехслойной структуры достигаются те замечательные свойства, которыми обладает этот материал.  Во-первых, это высокое исходное качество поверхности – гладкость, полное отсутствие волнообразных изгибов. Этого совершенно невозможно добиться от простого листового алюминия без формирования ребер жесткости или непомерного увеличения толщины материала. Хорошей исходной гладкостью обладают различные листовые пластики, но будучи закрепленными на конструкции, неизбежно деформируются под влиянием перепада температур. Кроме того, их показатели жесткости не идут ни в какое сравнение с Дибондом. В таблице приведены показатели жесткости для Дибонда в сравнении с листовым алюминием. Дибонд успешно поддается самым разнообразным видам механической обработки. Для получения идеально ровного изгиба достаточно профрезеровать паз углового профиля на такую глубину, чтобы остаточная толщина полиэтиленового слоя составила 0,6 мм. Значение угла фрезеровки определяется видом изгиба листа.  При простом прямоугольном изгибе производится фрезеровка под углом 45° к нормали (полный угол 90°), при необходимости же угловой стыковки двух листов угол профиля должен составлять 135°.  Нередки случаи, когда по требованиям дизайна или, исходя из условий травмобезопасности, панели и другие элементы не должны содержать острых углов, но при этом обязаны сохранять прямоугольную форму, т.е. возникает необходимость формовки скругленных углов. Такая проблема решается благодаря уникальному свойству Дибонда – возможности изгиба листа под малым радиусом. Получить такой скругленный угол у простого, например, алюминиевого листа невозможно без применения специального оборудования – особого гибочного станка, прокатки через вальцы малого диаметра или еще более сложной и дорогостоящей матричной штамповки. Для подобного изгиба Дибонда достаточна фрезеровка прямоугольного паза шириной 14 мм, обеспечивающего остаточную глубину полиэтиленового слоя 1,3 мм. Именно за счет этого слоя при последующем простом изгибе образуется не острый, а скругленный угол. Радиус скругления весьма стабилен и составляет около 7 мм. Ввиду того, что качество изгиба и в конечном счете всего изделия сильно зависит от точности обработки, наилучшие результаты достигаются при использовании специальной фрезерной пилы с набором дисковых или пальчиковых кругов, обеспечивающих требуемый угол фрезеровки. Пила также комплектуется системой направляющих линеек, позволяющих выполнять фрезеровку с высокой точностью. Более широкие возможности предоставляет использование гравировального станка с компью-терным управлением. Высокоточная обработка листа на станке производится коническими фрезами. При этом возможна гравировка не только прямых, но и криволинейных пазов различного профиля по заданной программе, а также резка листа. Изгиб Дибонда под большими радиусами с целью получения криволинейных поверхностей возможен двумя способами. Первый способ – прокатка – стандартный для листовых материалов. Прокатанный лист сохраняет кривизну поверхности, как говорят, «хорошо держит форму». Применение специального прокатного оборудования позволяет получить самые разнообразные криволинейные повер-хности. Благодаря возможности придания листам Дибонда пространственной (трехмерной) кривизны удается воплотить в жизнь самые сложные элементы дизайна. В случаях, когда применяется многоточечное крепление Дибонда на раму, задающую радиус кривизны в одной плоскости, лист подвергают неглубокой фрезеровке прямоугольных пазов с определенным шагом. При этом материал приобретает гибкость в направлении, перпендикулярном пазам, и в процессе крепления легко повторяет кривизну рамы.  Для получения требуемого конечного результата немаловажное значение имеет соблюдение технологии крепления материала. Для Дибонда предпочтительно использовать элементы скрытого крепления, такие как специальные зажимные профили, поставляемые заводом-изготовителем.  В производстве наружной рекламы часто силовым элементом конструкции служит пространственная стальная рама, изготовленная из профильной трубы. В этом случае основным элементом крепления Дибонда является заклепка. Применение самонарезающих винтов (саморезов) менее предпочтительно, так как их выступающие шляпки портят внешний вид конструкции, а при торцевом креплении препятствуют беззазорной стыковке панелей. Фирма-изготовитель поставляет также специальный клей, позволяющий склеивать листы Дибонда как между собой, так и с другими материалами (пластиком). Например, при изготовлении световых коробов, имеющих лицевую поверхность из Дибонда с прорезанными в нем контурами букв, молочное акриловое стекло, находящееся позади листа напротив прорезанных участков, прочно закрепляется именно этим клеем.  Возможности Дибонда не ограничиваются различными видами облицовки. Достаточная жесткость материала вкупе с вышеописанными возможностями формовки позволяет изготавливать из Дибонда отдельные, самостоятельные элементы. Приведем один пример. На фото изображен фрагмент оформления фасада магазина-салона. Согласно дизайн-проекту в верхней части стены по всей ее длине требовалось установить декоративный двутавровый швеллер, в котором размещены светильники. Дизайнер подразумевал применение для этой цели настоящего алюминиевого двутаврового швеллера, но на этапе производства воплощение его художественных идей встретило серьезные трудности. Дело в том, что промышленность не выпускает швеллеров нужного типоразмера. Можно было бы ценой больших затрат труда и времени сварить швеллер из алюминиевых полос, но расчетная масса такого изделия (а толщина алюминия должна была быть не менее 4 мм) все равно оказывалась чрезмерной, а прогнозируемая точность сварки и качество листа не обеспечило бы требуемого внешнего вида. Вдобавок ко всему, сверление в алюминии такой толщины нескольких десятков больших отверстий под светильники, имеющие диаметр около 100 мм, обещало быть весьма трудоемким и длительным процессом.  Вышеописанные проблемы вынудили отказаться от алюминия и искать другой материал. Различные пластики оказались непригодны. Задача была по силам только Дибонду! На гравировальном станке был выполнен раскрой развертки, и одно-временно прорезались отверстия под светильники. Предполагалось использовать всю длину листа и формировать 4-метровые секции швеллера для уменьшения количества стыков. Развертка собиралась в готовый швеллер с помощью заклепок. Стыковочные элементы были совмещены с крепежными – их роль, по замыслу инженера, отводилась кронштейнам крепления швеллера к стене.  Итак, с точки зрения массы, трудоемкости изготовления, да и стоимости, конструкция с применением Дибонда получилась оптимальной. Но и нас, как и заказчика, который был в курсе эксперимента, беспокоил вопрос эстетики – будет ли псевдошвеллер из композитного материала выглядеть как настоящий и иметь, согласно дизайн-проекту, «естественный металлический цвет»? Первая же готовая секция развеяла все сомнения. Она получилась идеально ровной и имела четкие грани. Выбранный цвет Дибонда – «металлик» отлично гармонировал с цветом фасада и окончательно укреплял в иллюзии, что перед нами продукт литейного производства – настоящий швеллер.  Возможности композитных материалов и, в частности Дибонда, выходят далеко за рамки журнальной статьи. Компании, которые уже освоили применение этого материала, открывают все новые возможности его использования для воплощения в наружной рекламе самых интересных идей. 

LayWood

Этот материал является композитом переработанного дерева и безопасного связующего полимера. Термическая стойкость материала подобна PLA пластику, и им можно печатать в промежутке температур от 175° до 250° С. После печати он выглядит как дерево и даже пахнет деревом.  При 180° С на выходе получается светлый оттенок, а при 245° С — тёмный. Благодаря этому свойству, при желании, можно имитировать фактуру настоящего дерева и годичные кольца. Напечатанный объект можно пилить, шлифовать и красить.  Благодаря очень низкой температурной деформации во время печати можно делать поверхность грубой или гладкой.  Материал на 40% состоит из дерева. 

Дельтадревесина

(институт авиационных материалов) – шпон корейской березы + бакилитовый лак, укладывают на манер плетения. Использовался для создания самолетов. (авиационная фанера). Плохо горит, почти не уступает по прочности алюминию.

Графен

 двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумернуюкристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большоймеханической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа^[4] и ~5·10³Вт·м⁻¹·К^−1[5] соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники  и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Дефекты

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

"Графен - это материал, которого просто не может быть", - так охарактеризовали его некоторые ученые. После изобретения графен быстро завоевал популярность в научной среде, о его необычных свойствах рассуждали в научных журналах, ему пророчили большое будущее. Потом графен получил известность и в массах, после того, как двое российских ученых - Константин Новоселов и Андрей Гейм - получили Нобелевскую премию за его изобретение. За что же графену такая популярность, каковы свойства этого необычного наноматериала?

Что такое карандаш, мы знаем с детства. Спросите любого ребенка, и он сразу ответит - это такая палочка, которой можно рисовать и которая часто ломается. То есть все мы знаем, что графит - очень хрупкий материал. Отчасти это правда, но не так все просто. Когда мы слегка нажимаем на грифель карандаша, графит расслаивается, а на бумаге остается тонкая полоска.

Слой графена толщиной в один атом в двести раз прочнее стали. Несколько слоев графена, соединенных друг с другом, легко отслаиваются, отчего создается иллюзия хрупкости графита. На самом деле каждый слой графена в двести раз прочнее стали. Это тем более удивительно, что толщина слоя графена - всего один атом.

Материал из графена настолько тонкий, что это невозможно себе даже представить. А еще он очень гибкий, и его можно сворачивать в трубочки диаметром несколько нанометров (миллионная доля миллиметра).

Впервые удивительная прочность этого материала была доказана учеными из Калифорнийского университета. После эксперимента они заявили: для того чтобы порвать пленку графена толщиной в одну сотую миллиметра, понадобится слон, при этом его вес должен уместиться на площади, равной кончику карандаша.