Porque é que a fibra de carbono é intrinsecamente fraca? Ou será?

A fibra de carbono não é necessariamente um material “fraco” ou “frágil”. Se tivesse um tubo com o mesmo diâmetro e espessura do típico tubo de estrutura de aço CF, esse tubo CF seria extremamente forte e durável.

Metais como o aço e o alumínio são materiais isotrópicos. Isso significa que as suas propriedades mecânicas são idênticas em todas as direcções. Se tiver um tubo de aço, ele responderá da mesma forma, independentemente da direcção em que o puxar ou empurrar.

A fibra de carbono é um material composto. Consiste em toneladas de pequenos feixes de fibras unidos por um epoxi.

Um bloco de aço é, bem, como o aço, mas a fibra de carbono é como um grande feixe de palhinhas coladas entre si. Num sentido, é extremamente forte, mas se empurrar ou puxar para o lado, irá colar. Naquela dimensão em que é forte, é vastamente mais forte do que o aço. No entanto, noutras direcções é bastante frágil.

Assim, os engenheiros têm sido capazes de explorar essas propriedades em quadros de bicicletas. Num quadro de bicicleta, a vasta e vasta maioria das forças estão primariamente ao longo de uma única dimensão. Podem tornar os tubos mais finos e leves, mas ainda assim manter a força e rigidez desejadas.

Portanto, não há nenhuma razão mecânica para não se poder construir uma bicicleta de turismo completamente carregada ou algo como uma Salsa Fargo com um quadro de carbono, e poderia ser igualmente resistente e durável. E provavelmente seria mais leve do que um quadro de aço ou alumínio. Mas a razão pela qual não é feita é por causa do mercado. A fibra de carbono é um material caro e difícil de trabalhar, e as suas propriedades mecânicas são mais adequadas para quando se exige aplicações muito leves.

Quando se constrói uma bicicleta com estrutura de aço, quando se obtém os tubos suficientemente fortes ao longo do seu comprimento, que devido às propriedades isotrópicas dos aços, obtém-se a resistência lateral de graça, a resistência para resistir a pancadas, etc.

Num quadro de fibra de carbono, não se obtém a resistência nas outras dimensões, a menos que se opte por desenhá-lo. Em bicicletas de fibra de carbono, onde o peso é uma preocupação séria, foi tomada a decisão de engenharia de não tornar os quadros fortes nessas áreas. Poderiam fazê-lo, mas optam por não o fazer porque não é necessário para a finalidade pretendida das bicicletas.

Quando se constrói uma bicicleta pesada carregada, perde-se muitas das vantagens das fibras de carbono, pelo que seria muito mais económico usar aço ou alumínio. Especialmente quando atira um par de garrafas de água cheias no seu paneiro quase excede a poupança de peso.

Primeiro uma renúncia: a maior parte do que sei sobre o fabrico de fibra de carbono vem de aviões, não bicicletas. Note-se também que a fibra de carbono é não o único composto que se utiliza - apenas para uma alternativa, as fibras de Kevlar também podem ser úteis (o Kevlar é mais forte, mas também mais flexível que o carbono).

A fibra de carbono é forte, mas não responde bem a pontos de tensão. Isto deve-se em grande parte ao facto de ser basicamente tecido (tecido a partir de fibras de carbono). Se colocar muita tensão num único ponto, está a colocar essa tensão apenas em algumas dessas fibras de carbono. Enquanto as fibras em si são extremamente fortes (pelo seu peso), a ligação que mantém as fibras individuais juntas é muito mais fraca. Para comparação, pense na fita de embalagem que tem fibras de fibra de vidro ao longo do seu comprimento. A própria fibra de vidro é realmente forte, mas a tira de plástico e a “gosma” que as mantém unidas é muito mais fraca. Embora os detalhes sejam diferentes, a mesma ideia geral aplica-se também à fibra de carbono.

A força exacta depende também da direcção. Como disse acima, a fibra de carbono começa basicamente como um fio que é tecido em tecido. O pano é então impregnado com algum tipo de epoxi (o epoxi exacto utilizado varia com a aplicação), colocado num molde, ensacado a vácuo1, depois cozido para endurecer o epoxi. Pode-se obter o pano em várias tecelagens diferentes, algumas com a mesma quantidade de fibra de carbono correndo em cada direcção, outras com (digamos) 80% da fibra de carbono numa direcção, e apenas 20% na outra direcção. A maior parte da CF utilizada num quadro de bicicleta está provavelmente algures mais próxima desta última variedade, com a maioria dos fios a correr ao longo do comprimento de um tubo, e consideravelmente menos a correr à volta da circunferência do tubo.

Desde que estejamos a fazê-lo: o carbono é também cerca de duas vezes mais forte no que diz respeito a ser esticado do que comprimido. Terá tipicamente cerca do dobro das lonas onde é principalmente sujeito a uma carga compressiva.

1 O ensacamento a vácuo significa que um grande saco de plástico é colocado à volta do molde e do pano colocado, e o ar é sugado para fora. A pressão de ar no exterior mantém as camadas de tecido unidas para (tentar) assegurar que quando são cozidas, actuam como uma única camada, e não como camadas separadas. Isto tem pouco efeito na resistência quando sujeitas a estiramento, mas um efeito enorme quando sujeitas a compressão ou flexão.

A fibra de carbono é um material muito forte, mas como qualquer material, faz algumas coisas melhor do que outras. De Wikipedia :

A fibra de carbono é muito forte quando esticada ou dobrada, mas fraca quando comprimida ou exposta a choques elevados (por exemplo, uma barra de fibra de carbono é extremamente difícil de dobrar, mas rachará facilmente se for atingida com um martelo).

Considerando que uma estrutura de fibra de carbono pode suportar o peso de um cavaleiro mais todas as forças que um cavaleiro adiciona (que podem exceder várias vezes o seu peso corporal), não é de forma alguma fraca. Tudo isto por menos do que o peso de uma estrutura comparável de alumínio ou aço.

Mas certos tipos de forças - como impactos agudos - podem danificar as fibras e epoxi enfraquecendo o material, algo que é menos provável com um metal. E uma pequena pinça pode esmagar um tubo CF, dada a força suficiente (também se pode fazer isto com tubos de alumínio de paredes finas, mas é necessário mais esforço).

Penso que também vale a pena salientar que embora a fibra de carbono possa ser colocada para ser bastante forte, não é de todo dúctil, como o aço ou (em menor medida) o alumínio. Pode-se colocar uma amolgadela de tamanho bastante bom numa armação de metal e ainda montá-la em casa, mas se se colocar uma amolgadela em fibra de carbono, provavelmente já se comprometeu todo o tubo ao ponto de, provavelmente, não se dever montar nela. É apenas muito mais frágil, pelo que deformação significa ruptura, onde em metais significa normalmente que algo está esticado ou comprimido, o que faz comparativamente menos mal à integridade estrutural.

Um pouco tarde para a festa, mas aqui está o meu ha'penneth: Como foi referido acima, um método de fabrico comum de armações CF envolve a “colocação” de múltiplas camadas de fibras impregnadas de resina de diferentes orientações para optimizar as características de resistência de acordo com as cargas esperadas e o desempenho necessário da armação (por exemplo, rígida vs flexível/flexível). Neste sentido, o CF pode ser mais precisamente adaptado a um conjunto de requisitos para o peso mais leve. Como em qualquer problema de engenharia, existem compromissos. Cada camada é essencialmente bidimensional (pensar eixo x e y para uma folha plana), a terceira dimensão, espessura (pensar eixo z) é apenas a acumulação de camadas de fibras mas não tem qualquer resistência das fibras em si, apenas a resistência da matriz de resina que mantém todas as fibras juntas. Portanto, é através da espessura do material que as estruturas compostas CF são mais fracas. E um modo comum de falha é conhecido como delaminação (a ligação entre camadas falha). Isto pode acontecer desde um golpe à superfície e qualquer delaminação dentro das camadas não será visível externamente. Só os scans podem detectar a extensão de qualquer dano - o método de baixa tecnologia envolve tocar na superfície e ouvir quaisquer alterações no tom das torneiras - requer um ouvido treinado e é menos óbvio para o leigo distinguir entre uma alteração no tom devido a uma delaminação versus, digamos, uma alteração na camada subjacente (camadas extrínsecas perto de juntas, etc…).

A delaminação é o ponto fraco das armações CF e a razão pela qual, na minha opinião, podem ser descritas como “fortes” mas NÃO “resistentes” ou “resilientes a danos”. Uma vez que qualquer pancada antiga poderia comprometer a força da armação e levar a uma inesperada falha súbita e catastrófica. O metal, por outro lado, produz gradualmente quando sobrecarregado - por isso é menos provável que ocorra uma falha súbita (se correctamente concebido).

Assim, a grande questão para mim sempre foi - se eu bater numa bicicleta CF, como saberei que a fama ainda tem integridade estrutural.

Falo como ciclista e engenheiro especializado no início da minha carreira em materiais compósitos e colados. A resposta ao risco de delaminação reside nos materiais compósitos onde as fibras também correm na dimensão z (espessura). Isto pode ser conseguido através de estruturas de fibras “tricotadas” onde as fibras ligam/bloqueiam as camadas - a fibra seca “tricotada” é então mantida num molde e resina líquida injectada e curada. Tanto quanto sei nenhum fabricante ainda utiliza esta técnica (dispendioso - material do tipo orçamento militar/aeroespacial). Continuam com o método tradicional de colocação de fibras pré-impregnadas. Alguns fabricantes falam de “tecer fibras juntas” de um tubo para outro num quadro de bicicleta, mas não creio que isto seja o “tricô” através das camadas de uma técnica de fabrico mais avançada.

Na verdade não conheço todos os detalhes, mas sei que a Fibra de Carbono tende a ser forte e flexível em algumas direcções, e não muito forte noutras. Assim, quando se constrói uma armação a partir dela, pode-se alinhá-la correctamente de modo a que a armação seja benigna e absorva choques na forma como as armações devem funcionar, mas se lhe aplicar a pressão errada (digamos, deixá-la cair lateralmente numa curva de betão), pode rachar.

Mas, como talvez tenha sido esclarecido pela minha pergunta anterior , não tenho realmente a certeza :)