Al igual que gran parte de lo que está escrito sobre la fibra de carbono, aquí nuevamente se dan verdades parciales. Un ejemplo de esto son las diferentes respuestas dadas por Dimitrje y Jon Reed. Uno dice que está a la par o quizás un 30% más ligero para algunas aplicaciones y el otro dice que es 11 veces más fuerte. Estas son respuestas muy diferentes, entonces, ¿quién tiene razón? Bueno, curiosamente una especie de ‘ambos’, pero ayudaría al lector que pasa saber por qué.
En primer lugar, Dimitrje ha seleccionado para sus datos una fibra de carbono bastante poco notable. No me malinterpreten, uso toneladas de T700. Tiene un buen precio y es una excelente fibra de uso general, sin embargo, hay una gran cantidad de fibras que han estado en el mercado durante más de cinco años que supera ampliamente al T700 y tiene la misma densidad. Si Dimitrje hubiera elegido AS4 o tal vez una fibra temprana de Zoltec como el carbono Pannex 30 se hubiera visto aún menos notable. Echa un vistazo a las fibras como T1000 o IM10. Ese es un mundo completamente nuevo. Estos son el grupo más fuerte de fibras y hacen que el aluminio quede en el olvido incluso cuando se tiene en cuenta la isotropía.
Bien, ¿y qué hay de esta alondra isotrofía? Como dijo Dimitrje, las fibras de fibra de carbono son un poco como el xilema en la madera. Tienen fuerza a lo largo del grano pero no mucho a través de él. Bueno, como sucede con la fibra de carbono, las cosas son mucho más extremas. El carbono es más fuerte en tensión que la compresión. Sin embargo, es estúpidamente fuerte si las fibras están alineadas con las fuerzas, ¡pero esto es bastante grande si! Obtiene 100% de fuerza si está totalmente alineado y obtiene casi 0% de fuerza a 90 grados. Pensarías que a 45 grados estarías obteniendo el 50% de la fuerza, pero no lo haces. Es más como el 25%, por lo que alinear las fibras es clave. Aquí es donde la mayoría de la gente pierde la trama.
Si apila fibras unidireccionales juntas, puede terminar con un espacio de hasta 75% de fibra de carbono. El otro 25% es resina. Si observa una hoja de datos, el “valor compuesto típico” para las resistencias es el 50% de los números dados para la fibra porque a menudo el 50% de un compuesto es resina. Si su composite está preparado con amor y las fibras están alineadas para minimizar el espacio de la resina y la fuerza es de tracción en línea con las fibras, Jon Reed es completamente correcto 11 veces más fuerte que el aluminio para que el peso sea fácilmente alcanzable, especialmente con fibras como IM10 sin embargo, estos tipos de ahorro de peso rara vez se logran. Ingrese la isotrofia nuevamente. Ahora, un diseñador de una pieza de metal considera las fuerzas principales. Debido a que el metal tiene la misma resistencia en todas las direcciones, deben tener en cuenta las concentraciones de estrés y similares, pero pueden olvidarse en gran medida de algunas de las cargas menores. Con el carbono, debe colocar la cantidad correcta de fibra para lidiar con diferentes fuerzas. Esto podría ser multiaxial o tal vez espirales alrededor de un poste para lidiar con la presión de estallido o la torsión. Cada uno tiene un ángulo ideal, pero sabemos que tan pronto como la fuerza se desvía de la orientación de la fibra, la resistencia sale de la ventana, además, la resistencia a la compresión es a menudo considerablemente menor que la resistencia a la tensión, especialmente en fibras de alto rendimiento como IM10 y T1000. Tan pronto como comience a correr las fibras unas sobre otras en diferentes ángulos, la cantidad de espacio que se llenará con resina aumenta y aumenta aún más una vez que comience a tejer una fibra, de hecho, las telas tejidas arrugan efectivamente el carbono en resortes ondulados y esto tiene Un efecto muy negativo sobre la rigidez general del composite. A medida que intenta hacer que el carbono se comporte como un metal y tenga la misma fuerza en todas las direcciones, lo que se llama cuasiistrofia o pseudoisotrofia, el porcentaje de resina por definición aumenta. Esto significa menos fibras de alta resistencia y más resina de baja resistencia. La cuestión es que las personas generalmente no seleccionan el carbono como material ideal si su objetivo es la isotrofía, es un poco como elegir un luchador de sumo para una competencia de pull-up. Sin embargo, los luchadores de sumo son claramente brillantes en algunas cosas. Hay momentos en los que tiene que hacerlo isotrópico, pero la consideración probablemente se deba a que, en general, el carbono no se fatiga durante millones de ciclos, mientras que el aluminio sí lo hace con el trabajo y el tiempo o quizás por consideraciones de corrosión o unión. Por lo tanto, es posible que encuentre en el mundo real que algo como un mástil de yate, que está en compresión (no es la mejor dirección de fuerza de rendimiento) es generalmente un 30% más ligero que uno de aluminio (uno de acero probablemente hundiría el bote). Este artículo está construido con mucha redundancia y tiene fibras para lidiar con la flexión y la compresión a las que está sujeto, pero si tuviera un miembro de tracción hecho de las fibras de mayor rendimiento con una resina mínima, podría ser 90% o más liviano que el aluminio .
Si observamos algo parecido al cuadro de una bicicleta, se pueden explorar algunas de las consideraciones de la vida real. Si estuviera hablando de algo como una pala de turbina eólica o un ala de avión o lo que sea, no todos tendrían una idea adecuada de las fuerzas involucradas, pero con las bicicletas, la mayoría de nosotros conocemos el puntaje.
Ahora con cuadros de carbono hay cuadros y horquillas juntos que pesan menos de 1 kg. No es raro que un juego de horquillas de aluminio que pesan 1.5 kg olvide el marco. La cosa es que a veces la fuerza máxima no es el problema. A veces, cosas como la rigidez son y el carbono es realmente inteligente. De hecho, la medición es más de 4 veces más rígida solo con una fibra como IM9, que es una fibra que uso mucho y que ni siquiera es una fibra de módulo alto o de módulo ultra alto. Si un tubo se dobla, fallará no porque el material no sea lo suficientemente fuerte sino porque está fuera de la columna. La resistencia al pandeo se debe en parte al grosor de la pared. Algo con la mitad de la densidad puede tener el doble del grosor de la pared y es menos probable que se doble. Si se para con cuidado en una lata de coca cola vacía, las personas delgadas (me excluyo aquí) pueden pararse sobre ella sin que se derrumbe. Con un ligero golpe en el costado con un lápiz o lo que sea, se colapsa catastróficamente. A medida que aumenta el diámetro de un tubo, se vuelve más rígido, pero para mantener el mismo peso necesita adelgazarse. Con el aluminio, la pared de metal no tarda mucho en volverse demasiado delgada y propensa a abollarse o doblarse. Como el carbono es más rígido, los tubos no necesitan ser tan gigantescos, por lo que el grosor de la pared es menos un factor limitante y su rigidez es el factor limitante que puede detener con un cuadro de carbono más ligero, mientras que podría estar agregando más aluminio para lograr el mismo efecto . Además, para soldarlo, el aluminio también debe ser bastante grueso. Agregue los efectos de la soldadura en el tratamiento térmico y el costoso calentamiento posterior al horno y puede ver que el aluminio está en la parte posterior. No solo esto, sino que el aluminio comienza a debilitarse tan pronto como se fabrica y se debilita con el uso, por lo que a menudo está diseñado en exceso para darle una vida útil razonable. Por el contrario, el carbono es fácil de unir y no necesita engrosarse en las orejas con el fin de unirse solo si necesita más fuerza en esa ubicación. Es rígido y como la rigidez es importante en los cuadros de bicicleta, cumple esa casilla con menos material. Puede ver que no se menciona el acero en el departamento de cuadros de bicicleta. Es más denso que el carbono o el aluminio, por lo que hace un tiempo las empresas que comparan reynolds y columnubus hicieron todo lo que pudieron con aleaciones especiales y triple tope, pero los marcos resultantes no pueden alcanzar los diámetros y pesos de los tubos para dar el mismo orden de rigidez.
Entonces, ¿por qué no es que nada está hecho de aluminio y hacemos todo de carbono? Bueno, el aluminio es fácil de trabajar, no es demasiado caro y se puede fabricar de manera muy similar al acero porque es dúctil, etc. La fibra de carbono, por otro lado, consume mucho tiempo, es costosa e isotrópica. Tiene su lugar pero no puede hacer todo. No hace mucho calor, por ejemplo. De hecho, a menudo las cosas están hechas cuando no sirve para nada. Por ejemplo, la perilla de cambios en un automóvil o incluso cosas como cajas de aire en motocicletas. Me han pedido que los haga, pero invariablemente terminan siendo más pesados y son más frágiles que los plásticos de baja densidad. Como todos los materiales, lo selecciona si es el material adecuado para el trabajo y, en el caso del carbono, es de alta resistencia y rigidez en la menor cantidad de caminos de fuerza posible y dentro del TG del sistema de resina donde el costo no es demasiado de una preocupación Incluso entonces, el carbono necesita una consideración especial en términos de herramientas y forma. A menudo no puede simplemente hacer una versión de carbono de una forma de metal y esperar que funcione. Si solo desea una hoja de material isotrópico monolítico, solo obtener un poco de hoja de metal es una opción convincente en lugar de la molestia de la laminación de una a otra. Carbón.
Volviendo a la pregunta, ¿cuánto más ligero es que el aluminio o el acero? Bueno, la respuesta es potencialmente mucho, pero en la práctica no puede hacer todo y, a menudo, donde las formas están hechas con capas de tela tejida, no tan cerca como sea posible. De hecho, la colocación en húmedo sin aspiradoras o autoclaves puede producir algunos productos de carbono de bajo rendimiento que ofrecen pocos beneficios sobre la fibra de vidrio.
La simple comparación entre fibra de carbono, acero y aluminio puede entenderse utilizando formas comunes de las versiones de alta resistencia de estos materiales. Compare las propiedades mecánicas, el módulo de elasticidad (rigidez) y la resistencia a la tracción (resistencia bajo tensión) de estos tres materiales: 
