自20世紀(jì)70年代人們開(kāi)始在自行車(chē)設(shè)計(jì)和制造中采用碳纖維復(fù)合材料以來(lái),碳纖維自行車(chē)逐漸成為高級(jí)運(yùn)動(dòng)自行車(chē)的發(fā)展方向,受到了越來(lái)越多的關(guān)注。隨著碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)逐漸趨于成熟,碳纖維售價(jià)大幅度下降,促進(jìn)了碳纖維自行車(chē)的開(kāi)發(fā)研究。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,碳纖維復(fù)合材料已成為高、中檔自行車(chē)車(chē)架的主流材料,受到了普遍歡迎。
碳纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、模量大、密度小、抗疲勞性能好、振動(dòng)小、耐環(huán)境性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),用其制造的碳纖維自行車(chē)架具有以下特點(diǎn)。
1)質(zhì)量輕,剛度大
樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的密度通常為16g/cm3
左右,僅為鋼密度的1/5,但其拉伸模量卻可以達(dá)到高強(qiáng)鋼的1.5倍以上。目前,高檔碳纖維山地車(chē)架質(zhì)量普遍低于鋁合金、鈦合金山地車(chē)架,而剛度卻更大,提高了車(chē)手的踩踏效率,節(jié)省了體力。
2)抗振性好
對(duì)形狀與尺寸相同的梁的試驗(yàn)表明,輕合金梁需要9s才能停止振動(dòng),碳纖維復(fù)合材料梁只需2.5s。復(fù)合材料良好的阻尼性減輕了自行車(chē)的顛簸,改善了山地車(chē)手的騎乘舒適性。
3)抗疲勞特性好
碳纖維車(chē)架耐疲勞試驗(yàn)可達(dá)100萬(wàn)次以上,遠(yuǎn)
遠(yuǎn)超過(guò)了JIS94011984規(guī)定的10萬(wàn)次標(biāo)準(zhǔn)。從疲勞斷裂的方式來(lái)看,一般金屬車(chē)架的斷裂都是突發(fā)的、沒(méi)有征兆的,而碳纖維車(chē)架的疲勞斷裂一般是在出現(xiàn)裂紋之后,客觀(guān)上增加了事故預(yù)判的可能性,從而提高了車(chē)手的安全性。
4)耐銹蝕
相對(duì)于傳統(tǒng)金屬車(chē)架而言,碳纖維自行車(chē)架具有無(wú)可置疑的抗環(huán)境性,耐酸、堿及工業(yè)大氣,性能良好,不會(huì)產(chǎn)生銹蝕。
5)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度大
碳纖維車(chē)架一般是先制作模具,然后在模具上鋪設(shè)碳纖織片,最后用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行黏接固化。這種制造方式使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加自由,可以根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的各向異性,按自行車(chē)運(yùn)行時(shí)所受載荷的方向與大小,設(shè)計(jì)出纖維的最優(yōu)排列和鋪放方式,還可以根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,設(shè)計(jì)出更為合理的車(chē)架造型,降低整車(chē)的風(fēng)阻。
在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),碳纖維山地車(chē)架也有一些缺點(diǎn)。
1)應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜
由于碳纖維復(fù)合材料具有明顯的各向異性,所以在制造車(chē)架時(shí),需要針對(duì)縱向剛度、橫向剛度等要求進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算,然后才能進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。
2)抗穿刺性能差
Cannondale公司曾對(duì)其生產(chǎn)的山地車(chē)架進(jìn)行了夾鉗試驗(yàn),將車(chē)架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車(chē)架產(chǎn)生了永久變形,而碳纖維車(chē)架馬上恢復(fù)原狀;當(dāng)采用尖銳物沖擊時(shí),鋁合金車(chē)架發(fā)生局部破壞,但仍可使用,而碳纖維車(chē)架由于較多纖維斷裂,強(qiáng)度無(wú)法保證。從用戶(hù)反饋信息來(lái)看,碳纖維車(chē)架失效通常都是因?yàn)榕龅搅耸獾燃怃J物或受到了點(diǎn)沖擊。
3)價(jià)格昂貴
和鈦合金車(chē)架相比,碳纖維車(chē)架的價(jià)格有過(guò)之而無(wú)不及,頂級(jí)碳纖維車(chē)架的價(jià)格可以達(dá)到甚至超過(guò)2萬(wàn)元人民幣。除了優(yōu)質(zhì)碳纖維原材料本身的價(jià)格因素外,主要還因?yàn)樘祭w維車(chē)架的制作過(guò)程需要很多的手工操作,并且成品率較低,造成生產(chǎn)成本大幅上升。
Cannondale公司曾對(duì)其生產(chǎn)的山地車(chē)架進(jìn)行了夾鉗試驗(yàn),將車(chē)架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車(chē)架產(chǎn)生了永久變形,而碳纖維車(chē)架馬上恢復(fù)原狀;當(dāng)采用尖銳物沖擊時(shí),鋁合金車(chē)架發(fā)生局部破壞,但仍可使用,而碳纖維車(chē)架由于較多纖維斷裂,強(qiáng)度無(wú)法保證。從用戶(hù)反饋信息來(lái)看,碳纖維車(chē)架失效通常都是因?yàn)榕龅搅耸獾燃怃J物或受到了點(diǎn)沖擊。
3)價(jià)格昂貴
和鈦合金車(chē)架相比,碳纖維車(chē)架的價(jià)格有過(guò)之而無(wú)不及,頂級(jí)碳纖維車(chē)架的價(jià)格可以達(dá)到甚至超過(guò)2萬(wàn)元人民幣。除了優(yōu)質(zhì)碳纖維原材料本身的價(jià)格因素外,主要還因?yàn)樘祭w維車(chē)架的制作過(guò)程需要很多的手工操作,并且成品率較低,造成生產(chǎn)成本大幅上升。
1碳纖維山地自行車(chē)架成型工藝
目前,碳纖維復(fù)合材料的成型工藝主要有裱糊成型、拉擠成型、纖維纏繞成型、RTM成型、三維編織成型、熱壓罐成型等工藝方法,其中以RTM成型工藝最為適合碳纖維自行車(chē)架的制造。
RTM(ResinTransferMolding)成型工藝又稱(chēng)樹(shù)脂傳遞模塑、樹(shù)脂注射成型等,是指低黏度樹(shù)脂在閉合模具中流動(dòng)、浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化成形的一種工藝技術(shù),具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、作業(yè)環(huán)境清潔、制件表面質(zhì)量好和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。一般的碳纖維車(chē)架RTM工藝流程如下。
1)編織碳布
將碳纖維絲拉直并預(yù)浸樹(shù)脂后,運(yùn)用紡織工藝織成半固化的碳纖維片,也稱(chēng)碳布。目前,在自行車(chē)架上常用的碳布編織方法按每束碳纖維紗中所含單絲的根數(shù)可分為1K、3K和12K等種類(lèi),其中1K和3K碳布主要用于內(nèi)部層疊鋪設(shè),而大絲束碳布,如12K等則常用于車(chē)架外觀(guān)層鋪設(shè)。
2)模具鋪設(shè)
對(duì)車(chē)架模具或車(chē)架部段模具進(jìn)行脫模處理,然后將碳布按設(shè)計(jì)層數(shù)和方向?qū)盈B鋪設(shè)于模具表面,在此過(guò)程中需要根據(jù)情況對(duì)五通、頭管等特殊部段加溫,以使其更易成型。
3)固化成型
將鋪設(shè)好的車(chē)架內(nèi)置入密封的聚氨酯內(nèi)膽,并在座管夾部位預(yù)留加壓口,在五通管部位放置鋼軸定型,然后將車(chē)架整體放進(jìn)鋼模中(如圖1所示)。用樹(shù)脂注射機(jī)將一定量的環(huán)氧樹(shù)脂注入模具,將內(nèi)膽中充入高壓氣體,使碳布緊貼模具,同時(shí)在高溫烤爐中加熱,使車(chē)架固化成型。
4)表面處理圖1碳纖維車(chē)架RTM模具
車(chē)架固化成型后需要對(duì)其表面進(jìn)行打磨拋光處理,去除毛刺,然后按照設(shè)計(jì)要求貼花噴漆即可。
為了便于生產(chǎn),最初的碳纖維車(chē)架都采用分段固化成型的方法生產(chǎn),然后再將各段連接,這種車(chē)架的缺點(diǎn)是接頭強(qiáng)度不高或連接件較重,不能完全體現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。目前,較好的碳纖維車(chē)架都已采用一體式(Monocoque)成型工藝,提升了車(chē)架的整體性能。
2碳纖維山地自行車(chē)架發(fā)展現(xiàn)狀
自進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái),隨著碳纖維技術(shù)和山地自行車(chē)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外的一些公司對(duì)碳纖維山地車(chē)架的制造工藝進(jìn)行了大量的研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì),推出了各種性能優(yōu)異的碳纖維車(chē)架,使碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)。
美國(guó)Trek公司應(yīng)用其OCLV專(zhuān)利技術(shù),精確控制了碳纖維車(chē)架成型過(guò)程中的溫度和壓力,消除了車(chē)架制作過(guò)程中多層多方向?qū)盈B碳纖維之間產(chǎn)生的氣泡,從而使車(chē)架具有了最大的強(qiáng)度質(zhì)量比;在車(chē)架碳纖維結(jié)構(gòu)部段連接方面,Trek公司采用階梯式連接法(STEPJOINT),保持了管壁厚度的一致性與連貫性(如圖2所示)。
圖2STEPJOINT接頭
以生產(chǎn)高品質(zhì)鈦合金車(chē)架而聞名的TitusBicycles公司,成功引進(jìn)Vyatek運(yùn)動(dòng)科技公司的專(zhuān)利技術(shù),采用激光切割、多次固化成型等加工工藝,將鈦合金與碳纖維復(fù)合材料連接,推出了IsoGrid和ExoGrid鈦碳復(fù)合管材,這2種山地車(chē)架管材兼具了鈦合金車(chē)架和碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)(如圖3、圖
Cannondale公司曾對(duì)其生產(chǎn)的山地車(chē)架進(jìn)行了夾鉗試驗(yàn),將車(chē)架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車(chē)架產(chǎn)生了永久變形,而碳纖維車(chē)架馬上恢復(fù)原狀;當(dāng)采用尖銳物沖擊時(shí),鋁合金車(chē)架發(fā)生局部破壞,但仍可使用,而碳纖維車(chē)架由于較多纖維斷裂,強(qiáng)度無(wú)法保證。從用戶(hù)反饋信息來(lái)看,碳纖維車(chē)架失效通常都是因?yàn)榕龅搅耸獾燃怃J物或受到了點(diǎn)沖擊。3)價(jià)格昂貴和鈦合金車(chē)架相比,碳纖維車(chē)架的價(jià)格有過(guò)之而無(wú)不及,頂級(jí)碳纖維車(chē)架的價(jià)格可以達(dá)到甚至超過(guò)2萬(wàn)元人民幣。除了優(yōu)質(zhì)碳纖維原材料本身的價(jià)格因素外,主要還因?yàn)樘祭w維車(chē)架的制作過(guò)程需要很多的手工操作,并且成品率較低,造成生產(chǎn)成本大幅上升。1碳纖維山地自行車(chē)架成型工藝目前,碳纖維復(fù)合材料的成型工藝主要有裱糊成型、拉擠成型、纖維纏繞成型、RTM成型、三維編織成型、熱壓罐成型等工藝方法,其中以RTM成型工藝最為適合碳纖維自行車(chē)架的制造。
RTM(ResinTransferMolding)成型工藝又稱(chēng)樹(shù)脂傳遞模塑、樹(shù)脂注射成型等,是指低黏度樹(shù)脂在閉合模具中流動(dòng)、浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化成形的一種工藝技術(shù),具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、作業(yè)環(huán)境清潔、制件表面質(zhì)量好和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。一般的碳纖維車(chē)架RTM工藝流程如下。
1)編織碳布
將碳纖維絲拉直并預(yù)浸樹(shù)脂后,運(yùn)用紡織工藝織成半固化的碳纖維片,也稱(chēng)碳布。目前,在自行車(chē)架上常用的碳布編織方法按每束碳纖維紗中所含單絲的根數(shù)可分為1K、3K和12K等種類(lèi),其中1K和3K碳布主要用于內(nèi)部層疊鋪設(shè),而大絲束碳布,如12K等則常用于車(chē)架外觀(guān)層鋪設(shè)。
2)模具鋪設(shè)
對(duì)車(chē)架模具或車(chē)架部段模具進(jìn)行脫模處理,然后將碳布按設(shè)計(jì)層數(shù)和方向?qū)盈B鋪設(shè)于模具表面,在此過(guò)程中需要根據(jù)情況對(duì)五通、頭管等特殊部段加溫,以使其更易成型。
3)固化成型
將鋪設(shè)好的車(chē)架內(nèi)置入密封的聚氨酯內(nèi)膽,并在座管夾部位預(yù)留加壓口,在五通管部位放置鋼軸定型,然后將車(chē)架整體放進(jìn)鋼模中(如圖1所示)。用樹(shù)脂注射機(jī)將一定量的環(huán)氧樹(shù)脂注入模具,將內(nèi)膽中充入高壓氣體,使碳布緊貼模具,同時(shí)在高溫烤爐中加熱,使車(chē)架固化成型。
4)表面處理圖1碳纖維車(chē)架RTM模具
車(chē)架固化成型后需要對(duì)其表面進(jìn)行打磨拋光處理,去除毛刺,然后按照設(shè)計(jì)要求貼花噴漆即可。
為了便于生產(chǎn),最初的碳纖維車(chē)架都采用分段固化成型的方法生產(chǎn),然后再將各段連接,這種車(chē)架的缺點(diǎn)是接頭強(qiáng)度不高或連接件較重,不能完全體現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。目前,較好的碳纖維車(chē)架都已采用一體式(Monocoque)成型工藝,提升了車(chē)架的整體性能。
2碳纖維山地自行車(chē)架發(fā)展現(xiàn)狀
自進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái),隨著碳纖維技術(shù)和山地自行車(chē)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外的一些公司對(duì)碳纖維山地車(chē)架的制造工藝進(jìn)行了大量的研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì),推出了各種性能優(yōu)異的碳纖維車(chē)架,使碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)。
美國(guó)Trek公司應(yīng)用其OCLV專(zhuān)利技術(shù),精確控制了碳纖維車(chē)架成型過(guò)程中的溫度和壓力,消除了車(chē)架制作過(guò)程中多層多方向?qū)盈B碳纖維之間產(chǎn)生的氣泡,從而使車(chē)架具有了最大的強(qiáng)度質(zhì)量比;在車(chē)架碳纖維結(jié)構(gòu)部段連接方面,Trek公司采用階梯式連接法(STEPJOINT),保持了管壁厚度的一致性與連貫性(如圖2所示)。
圖2STEPJOINT接頭
以生產(chǎn)高品質(zhì)鈦合金車(chē)架而聞名的TitusBicycles公司,成功引進(jìn)Vyatek運(yùn)動(dòng)科技公司的專(zhuān)利技術(shù),采用激光切割、多次固化成型等加工工藝,將鈦合金與碳纖維復(fù)合材料連接,推出了IsoGrid和ExoGrid鈦碳復(fù)合管材,這2種山地車(chē)架管材兼具了鈦合金車(chē)架和碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)(如圖3、圖
的數(shù)據(jù)和更合理的外形設(shè)計(jì)。
2)體育和航天科技的引進(jìn)。碳纖維復(fù)合材料技術(shù)在軍工、航天和體育科技等很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,這些領(lǐng)域的某些研究成果已應(yīng)用到山地自行車(chē)架的設(shè)計(jì)和制造中,例如IsoTruss網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、Nanotechnology納米碳技術(shù)以及Vyatek公司的IsoGrid、ExoGrid和BiFusion等專(zhuān)利技術(shù)均給碳纖維自行車(chē)架的設(shè)計(jì)和制造注入了新鮮血液。若能適當(dāng)?shù)貐⒖计渌I(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)研究成果,將有助于促進(jìn)碳纖維車(chē)架生產(chǎn)工藝的發(fā)展。
3)RTM系列技術(shù)發(fā)展成果的應(yīng)用。近年來(lái),RTM工藝廣泛吸取其他成型工藝的特點(diǎn),發(fā)展成為RTM系列,常用的有真空輔助RTM(VARTM)、Seemann復(fù)合材料樹(shù)脂浸漬模塑成型工藝(SCRIMP)、樹(shù)脂膜滲透成型工藝(RFI)等,Trek公司的OCLV核心技術(shù)就是在VARTM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。RTM技術(shù)目前仍處于不斷發(fā)展中,隨著RTM設(shè)備、樹(shù)脂和模具技術(shù)的日趨完善,碳纖維車(chē)架的整體制造水平將會(huì)有顯著的提高。
4)不同材料的結(jié)合使用。由于山地自行車(chē)架的不同部位對(duì)材料的力學(xué)性能要求不盡相同,若能針對(duì)不同材料的特性物盡其用,將有助于充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì),打造高性能的山地自行車(chē)架。目前應(yīng)用于山地自行車(chē)架的碳纖維有很多種,如果將不同強(qiáng)度和模量的碳纖維結(jié)合使用,在需要高剛度的部位使用較多的高模量纖維,在需要高強(qiáng)度的部位使用較多的高強(qiáng)度纖維,無(wú)特殊要求的部位則盡可能使用普通的纖維,便可以在打造高性能、輕量化碳纖維車(chē)架的同時(shí),有效降低生產(chǎn)成本。若能將碳纖維與諾梅克斯、凱芙拉和玻璃纖維等纖維材料以及鋁合金、鈦合金等金屬材料相結(jié)合,則有可能制造出性能卓越的車(chē)架。
5)碳纖維山地自行車(chē)架的損傷修復(fù)。碳纖維車(chē)架的缺點(diǎn)之一是抗穿刺能力差,受到較大點(diǎn)沖擊時(shí)容易報(bào)廢,如果能對(duì)損傷處進(jìn)行修復(fù),便可有效提高碳纖維車(chē)架的使用壽命。目前,在航空航天領(lǐng)域已開(kāi)展了較多關(guān)于纖維復(fù)合材料修復(fù)的研究,這些研究成果可以作為碳纖維山地自行車(chē)架損傷修復(fù)的研究基礎(chǔ)。
總體來(lái)說(shuō),各種技術(shù)的發(fā)展將使碳纖維山地自行車(chē)架的生產(chǎn)工藝向著提高性能和降低成本的方向發(fā)展,使碳纖維運(yùn)動(dòng)自行車(chē)逐漸普及。隨著國(guó)內(nèi)相關(guān)扶持計(jì)劃的推出,中國(guó)的碳纖維產(chǎn)業(yè)在3~5年內(nèi)
將步入高速發(fā)展期,屆時(shí)碳纖維原料價(jià)格的下降將直接反映在相關(guān)的自行車(chē)產(chǎn)品上。
潤(rùn)大世紀(jì)為您提供高品質(zhì)的碳纖維及凱夫拉成型產(chǎn)品！
