自20世紀70年代人們開始在自行車設計和制造中采用碳纖維復合材料以來,碳纖維自行車逐漸成為高級運動自行車的發展方向,受到了越來越多的關注。隨著碳纖維復合材料制造技術逐漸趨于成熟,碳纖維售價大幅度下降,促進了碳纖維自行車的開發研究。經過多年的發展,碳纖維復合材料已成為高、中檔自行車車架的主流材料,受到了普遍歡迎。
碳纖維復合材料具有強度高、模量大、密度小、抗疲勞性能好、振動小、耐環境性能強等優點,用其制造的碳纖維自行車架具有以下特點。
1)質量輕,剛度大
樹脂基碳纖維復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到高強鋼的1.5倍以上。目前,高檔碳纖維山地車架質量普遍低于鋁合金、鈦合金山地車架,而剛度卻更大,提高了車手的踩踏效率,節省了體力。
2)抗振性好
對形狀與尺寸相同的梁的試驗表明,輕合金梁需要9s才能停止振動,碳纖維復合材料梁只需2.5s。復合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸,改善了山地車手的騎乘舒適性。
3)抗疲勞特性好
碳纖維車架耐疲勞試驗可達100萬次以上,遠
遠超過了JIS94011984規定的10萬次標準。從疲勞斷裂的方式來看,一般金屬車架的斷裂都是突發的、沒有征兆的,而碳纖維車架的疲勞斷裂一般是在出現裂紋之后,客觀上增加了事故預判的可能性,從而提高了車手的安全性。
4)耐銹蝕
相對于傳統金屬車架而言,碳纖維自行車架具有無可置疑的抗環境性,耐酸、堿及工業大氣,性能良好,不會產生銹蝕。
5)結構設計自由度大
碳纖維車架一般是先制作模具,然后在模具上鋪設碳纖織片,最后用環氧樹脂進行黏接固化。這種制造方式使得結構設計更加自由,可以根據碳纖維復合材料的各向異性,按自行車運行時所受載荷的方向與大小,設計出纖維的最優排列和鋪放方式,還可以根據空氣動力學原理,設計出更為合理的車架造型,降低整車的風阻。
在擁有諸多優點的同時,碳纖維山地車架也有一些缺點。
1)應力計算復雜
由于碳纖維復合材料具有明顯的各向異性,所以在制造車架時,需要針對縱向剛度、橫向剛度等要求進行復雜的應力計算,然后才能進行工藝設計。
2)抗穿刺性能差
Cannondale公司曾對其生產的山地車架進行了夾鉗試驗,將車架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車架產生了永久變形,而碳纖維車架馬上恢復原狀;當采用尖銳物沖擊時,鋁合金車架發生局部破壞,但仍可使用,而碳纖維車架由于較多纖維斷裂,強度無法保證。從用戶反饋信息來看,碳纖維車架失效通常都是因為碰到了石尖等尖銳物或受到了點沖擊。
3)價格昂貴
和鈦合金車架相比,碳纖維車架的價格有過之而無不及,頂級碳纖維車架的價格可以達到甚至超過2萬元人民幣。除了優質碳纖維原材料本身的價格因素外,主要還因為碳纖維車架的制作過程需要很多的手工操作,并且成品率較低,造成生產成本大幅上升。
Cannondale公司曾對其生產的山地車架進行了夾鉗試驗,將車架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車架產生了永久變形,而碳纖維車架馬上恢復原狀;當采用尖銳物沖擊時,鋁合金車架發生局部破壞,但仍可使用,而碳纖維車架由于較多纖維斷裂,強度無法保證。從用戶反饋信息來看,碳纖維車架失效通常都是因為碰到了石尖等尖銳物或受到了點沖擊。
3)價格昂貴
和鈦合金車架相比,碳纖維車架的價格有過之而無不及,頂級碳纖維車架的價格可以達到甚至超過2萬元人民幣。除了優質碳纖維原材料本身的價格因素外,主要還因為碳纖維車架的制作過程需要很多的手工操作,并且成品率較低,造成生產成本大幅上升。
1碳纖維山地自行車架成型工藝
目前,碳纖維復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架的制造。
RTM(ResinTransferMolding)成型工藝又稱樹脂傳遞模塑、樹脂注射成型等,是指低黏度樹脂在閉合模具中流動、浸潤增強材料并固化成形的一種工藝技術,具有工藝過程簡單、作業環境清潔、制件表面質量好和易于實現等特點。一般的碳纖維車架RTM工藝流程如下。
1)編織碳布
將碳纖維絲拉直并預浸樹脂后,運用紡織工藝織成半固化的碳纖維片,也稱碳布。目前,在自行車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可分為1K、3K和12K等種類,其中1K和3K碳布主要用于內部層疊鋪設,而大絲束碳布,如12K等則常用于車架外觀層鋪設。
2)模具鋪設
對車架模具或車架部段模具進行脫模處理,然后將碳布按設計層數和方向層疊鋪設于模具表面,在此過程中需要根據情況對五通、頭管等特殊部段加溫,以使其更易成型。
3)固化成型
將鋪設好的車架內置入密封的聚氨酯內膽,并在座管夾部位預留加壓口,在五通管部位放置鋼軸定型,然后將車架整體放進鋼模中(如圖1所示)。用樹脂注射機將一定量的環氧樹脂注入模具,將內膽中充入高壓氣體,使碳布緊貼模具,同時在高溫烤爐中加熱,使車架固化成型。
4)表面處理圖1碳纖維車架RTM模具
車架固化成型后需要對其表面進行打磨拋光處理,去除毛刺,然后按照設計要求貼花噴漆即可。
為了便于生產,最初的碳纖維車架都采用分段固化成型的方法生產,然后再將各段連接,這種車架的缺點是接頭強度不高或連接件較重,不能完全體現碳纖維復合材料的優勢。目前,較好的碳纖維車架都已采用一體式(Monocoque)成型工藝,提升了車架的整體性能。
2碳纖維山地自行車架發展現狀
自進入本世紀以來,隨著碳纖維技術和山地自行車運動的發展,國內外的一些公司對碳纖維山地車架的制造工藝進行了大量的研究和創新設計,推出了各種性能優異的碳纖維車架,使碳纖維復合材料的優越性得以充分體現。
美國Trek公司應用其OCLV專利技術,精確控制了碳纖維車架成型過程中的溫度和壓力,消除了車架制作過程中多層多方向層疊碳纖維之間產生的氣泡,從而使車架具有了最大的強度質量比;在車架碳纖維結構部段連接方面,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
以生產高品質鈦合金車架而聞名的TitusBicycles公司,成功引進Vyatek運動科技公司的專利技術,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合材料連接,推出了IsoGrid和ExoGrid鈦碳復合管材,這2種山地車架管材兼具了鈦合金車架和碳纖維復合材料的優點(如圖3、圖
Cannondale公司曾對其生產的山地車架進行了夾鉗試驗,將車架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車架產生了永久變形,而碳纖維車架馬上恢復原狀;當采用尖銳物沖擊時,鋁合金車架發生局部破壞,但仍可使用,而碳纖維車架由于較多纖維斷裂,強度無法保證。從用戶反饋信息來看,碳纖維車架失效通常都是因為碰到了石尖等尖銳物或受到了點沖擊。3)價格昂貴和鈦合金車架相比,碳纖維車架的價格有過之而無不及,頂級碳纖維車架的價格可以達到甚至超過2萬元人民幣。除了優質碳纖維原材料本身的價格因素外,主要還因為碳纖維車架的制作過程需要很多的手工操作,并且成品率較低,造成生產成本大幅上升。1碳纖維山地自行車架成型工藝目前,碳纖維復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架的制造。
RTM(ResinTransferMolding)成型工藝又稱樹脂傳遞模塑、樹脂注射成型等,是指低黏度樹脂在閉合模具中流動、浸潤增強材料并固化成形的一種工藝技術,具有工藝過程簡單、作業環境清潔、制件表面質量好和易于實現等特點。一般的碳纖維車架RTM工藝流程如下。
1)編織碳布
將碳纖維絲拉直并預浸樹脂后,運用紡織工藝織成半固化的碳纖維片,也稱碳布。目前,在自行車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可分為1K、3K和12K等種類,其中1K和3K碳布主要用于內部層疊鋪設,而大絲束碳布,如12K等則常用于車架外觀層鋪設。
2)模具鋪設
對車架模具或車架部段模具進行脫模處理,然后將碳布按設計層數和方向層疊鋪設于模具表面,在此過程中需要根據情況對五通、頭管等特殊部段加溫,以使其更易成型。
3)固化成型
將鋪設好的車架內置入密封的聚氨酯內膽,并在座管夾部位預留加壓口,在五通管部位放置鋼軸定型,然后將車架整體放進鋼模中(如圖1所示)。用樹脂注射機將一定量的環氧樹脂注入模具,將內膽中充入高壓氣體,使碳布緊貼模具,同時在高溫烤爐中加熱,使車架固化成型。
4)表面處理圖1碳纖維車架RTM模具
車架固化成型后需要對其表面進行打磨拋光處理,去除毛刺,然后按照設計要求貼花噴漆即可。
為了便于生產,最初的碳纖維車架都采用分段固化成型的方法生產,然后再將各段連接,這種車架的缺點是接頭強度不高或連接件較重,不能完全體現碳纖維復合材料的優勢。目前,較好的碳纖維車架都已采用一體式(Monocoque)成型工藝,提升了車架的整體性能。
2碳纖維山地自行車架發展現狀
自進入本世紀以來,隨著碳纖維技術和山地自行車運動的發展,國內外的一些公司對碳纖維山地車架的制造工藝進行了大量的研究和創新設計,推出了各種性能優異的碳纖維車架,使碳纖維復合材料的優越性得以充分體現。
美國Trek公司應用其OCLV專利技術,精確控制了碳纖維車架成型過程中的溫度和壓力,消除了車架制作過程中多層多方向層疊碳纖維之間產生的氣泡,從而使車架具有了最大的強度質量比;在車架碳纖維結構部段連接方面,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
以生產高品質鈦合金車架而聞名的TitusBicycles公司,成功引進Vyatek運動科技公司的專利技術,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合材料連接,推出了IsoGrid和ExoGrid鈦碳復合管材,這2種山地車架管材兼具了鈦合金車架和碳纖維復合材料的優點(如圖3、圖
的數據和更合理的外形設計。
2)體育和航天科技的引進。碳纖維復合材料技術在軍工、航天和體育科技等很多領域都得到了廣泛的應用,這些領域的某些研究成果已應用到山地自行車架的設計和制造中,例如IsoTruss網狀結構、Nanotechnology納米碳技術以及Vyatek公司的IsoGrid、ExoGrid和BiFusion等專利技術均給碳纖維自行車架的設計和制造注入了新鮮血液。若能適當地參考其他領域的碳纖維復合材料技術研究成果,將有助于促進碳纖維車架生產工藝的發展。
3)RTM系列技術發展成果的應用。近年來,RTM工藝廣泛吸取其他成型工藝的特點,發展成為RTM系列,常用的有真空輔助RTM(VARTM)、Seemann復合材料樹脂浸漬模塑成型工藝(SCRIMP)、樹脂膜滲透成型工藝(RFI)等,Trek公司的OCLV核心技術就是在VARTM基礎上發展起來的。RTM技術目前仍處于不斷發展中,隨著RTM設備、樹脂和模具技術的日趨完善,碳纖維車架的整體制造水平將會有顯著的提高。
4)不同材料的結合使用。由于山地自行車架的不同部位對材料的力學性能要求不盡相同,若能針對不同材料的特性物盡其用,將有助于充分發揮各種材料的優勢,打造高性能的山地自行車架。目前應用于山地自行車架的碳纖維有很多種,如果將不同強度和模量的碳纖維結合使用,在需要高剛度的部位使用較多的高模量纖維,在需要高強度的部位使用較多的高強度纖維,無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、輕量化碳纖維車架的同時,有效降低生產成本。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合,則有可能制造出性能卓越的車架。
5)碳纖維山地自行車架的損傷修復。碳纖維車架的缺點之一是抗穿刺能力差,受到較大點沖擊時容易報廢,如果能對損傷處進行修復,便可有效提高碳纖維車架的使用壽命。目前,在航空航天領域已開展了較多關于纖維復合材料修復的研究,這些研究成果可以作為碳纖維山地自行車架損傷修復的研究基礎。
總體來說,各種技術的發展將使碳纖維山地自行車架的生產工藝向著提高性能和降低成本的方向發展,使碳纖維運動自行車逐漸普及。隨著國內相關扶持計劃的推出,中國的碳纖維產業在3~5年內
將步入高速發展期,屆時碳纖維原料價格的下降將直接反映在相關的自行車產品上。
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