自20世紀(jì)70年代人們開始在自行車設(shè)計(jì)和制造中采用碳纖維復(fù)合材料以來,碳纖維自行車逐漸成為高級(jí)運(yùn)動(dòng)自行車的發(fā)展方向,受到了越來越多的關(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)了碳纖維自行車的開發(fā)研究。經(jīng)過多年的發(fā)展,碳纖維復(fù)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(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架具有以下特點(diǎn)。
1)質(zhì)量輕,剛度大
樹脂基碳纖維復(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,高檔碳纖維山地車架質(zhì)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(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(yàn)可達(dá)100萬次以上,遠(yuǎn)
遠(yuǎn)超過了JIS94011984規(guī)定的10萬次標(biāo)準(zhǔn)。從疲勞斷裂的方式來看,一般金屬車架的斷裂都是突發(fā)的、沒有征兆的,而碳纖維車架的疲勞斷裂一般是在出現(xiàn)裂紋之后,客觀上增加了事故預(yù)判的可能性,從而提高了車手的安全性。
4)耐銹蝕
相對(duì)于傳統(tǒng)金屬車架而言,碳纖維自行車架具有無可置疑的抗環(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)出更為合理的車架造型,降低整車的風(fēng)阻。
在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),碳纖維山地車架也有一些缺點(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)的山地車架進(jìn)行了夾鉗試驗(yàn),將車架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車架產(chǎn)生了永久變形,而碳纖維車架馬上恢復(fù)原狀;當(dāng)采用尖銳物沖擊時(shí),鋁合金車架發(fā)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(qiáng)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?yàn)榕龅搅耸獾燃怃J物或受到了點(diǎn)沖擊。
3)價(jià)格昂貴
和鈦合金車架相比,碳纖維車架的價(jià)格有過之而無不及,頂級(jí)碳纖維車架的價(jià)格可以達(dá)到甚至超過2萬元人民幣。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(chǎn)成本大幅上升。
Cannondale公司曾對(duì)其生產(chǎn)的山地車架進(jìn)行了夾鉗試驗(yàn),將車架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車架產(chǎn)生了永久變形,而碳纖維車架馬上恢復(fù)原狀;當(dāng)采用尖銳物沖擊時(shí),鋁合金車架發(fā)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(qiáng)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?yàn)榕龅搅耸獾燃怃J物或受到了點(diǎn)沖擊。
3)價(jià)格昂貴
和鈦合金車架相比,碳纖維車架的價(jià)格有過之而無不及,頂級(jí)碳纖維車架的價(jià)格可以達(dá)到甚至超過2萬元人民幣。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(chǎn)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(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(dòng)、浸潤增強(qiáng)材料并固化成形的一種工藝技術(shù),具有工藝過程簡單、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)浸樹脂后,運(yùn)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(shù)可分為1K、3K和12K等種類,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等則常用于車架外觀層鋪設(shè)。
2)模具鋪設(shè)
對(duì)車架模具或車架部段模具進(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,然后將車架整體放進(jìn)鋼模中(如圖1所示)。用樹脂注射機(jī)將一定量的環(huán)氧樹脂注入模具,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(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。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(fā)展現(xiàn)狀
自進(jìn)入本世紀(jì)以來,隨著碳纖維技術(shù)和山地自行車運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,國內(nèi)外的一些公司對(duì)碳纖維山地車架的制造工藝進(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)異的碳纖維車架,使碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)。
美國Trek公司應(yīng)用其OCLV專利技術(shù),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?qū)盈B碳纖維之間產(chǎn)生的氣泡,從而使車架具有了最大的強(qiáng)度質(zhì)量比;在車架碳纖維結(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)鈦合金車架而聞名的TitusBicycles公司,成功引進(jìn)Vyatek運(yùn)動(dòng)科技公司的專利技術(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種山地車架管材兼具了鈦合金車架和碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)(如圖3、圖
Cannondale公司曾對(duì)其生產(chǎn)的山地車架進(jìn)行了夾鉗試驗(yàn),將車架上管擠壓變形并卸載后,鋁合金車架產(chǎn)生了永久變形,而碳纖維車架馬上恢復(fù)原狀;當(dāng)采用尖銳物沖擊時(shí),鋁合金車架發(fā)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(qiáng)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?yàn)榕龅搅耸獾燃怃J物或受到了點(diǎn)沖擊。3)價(jià)格昂貴和鈦合金車架相比,碳纖維車架的價(jià)格有過之而無不及,頂級(jí)碳纖維車架的價(jià)格可以達(dá)到甚至超過2萬元人民幣。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(chǎn)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(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(dòng)、浸潤增強(qiáng)材料并固化成形的一種工藝技術(shù),具有工藝過程簡單、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)浸樹脂后,運(yùn)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(shù)可分為1K、3K和12K等種類,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等則常用于車架外觀層鋪設(shè)。
2)模具鋪設(shè)
對(duì)車架模具或車架部段模具進(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,然后將車架整體放進(jìn)鋼模中(如圖1所示)。用樹脂注射機(jī)將一定量的環(huán)氧樹脂注入模具,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(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。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(fā)展現(xiàn)狀
自進(jìn)入本世紀(jì)以來,隨著碳纖維技術(shù)和山地自行車運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,國內(nèi)外的一些公司對(duì)碳纖維山地車架的制造工藝進(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)異的碳纖維車架,使碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)。
美國Trek公司應(yīng)用其OCLV專利技術(shù),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?qū)盈B碳纖維之間產(chǎn)生的氣泡,從而使車架具有了最大的強(qiáng)度質(zhì)量比;在車架碳纖維結(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)鈦合金車架而聞名的TitusBicycles公司,成功引進(jìn)Vyatek運(yùn)動(dòng)科技公司的專利技術(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種山地車架管材兼具了鈦合金車架和碳纖維復(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等專利技術(shù)均給碳纖維自行車架的設(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,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(shù)就是在VARTM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。RTM技術(shù)目前仍處于不斷發(fā)展中,隨著RTM設(shè)備、樹脂和模具技術(shù)的日趨完善,碳纖維車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,打造高性能的山地自行車架。目前應(yīng)用于山地自行車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(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架。
5)碳纖維山地自行車架的損傷修復(fù)。碳纖維車架的缺點(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架的使用壽命。目前,在航空航天領(lǐng)域已開展了較多關(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架損傷修復(fù)的研究基礎(chǔ)。
總體來說,各種技術(shù)的發(fā)展將使碳纖維山地自行車架的生產(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)自行車逐漸普及。隨著國內(nèi)相關(guān)扶持計(jì)劃的推出,中國的碳纖維產(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)的自行車產(chǎn)品上。
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