碳纖維復(fù)合材料在自行車上的應(yīng)用

顧良娥　周恒香

摘 要：自行車是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇焦ぞ撸钍苁澜绺鲊嗣裣矏?，形成了巨大的自行車消費(fèi)市場。隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛快發(fā)展，自行車已不僅僅是交通和運(yùn)輸工具，已具有集健身、旅游、競賽等多種功能。因此迫切需要有新形態(tài)、新材料的自行車出現(xiàn)，以使自行車外觀更具美感，更具輕量化，騎乘舒適性更好。

關(guān)鍵詞：碳纖維；自行車；應(yīng)用

碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料，碳纖維在自行車領(lǐng)域的應(yīng)用，被稱為自行車行業(yè)的“黑色革命”。碳纖維自行車具有以下優(yōu)點(diǎn)：

精：塑性變形小，回彈性好，尺寸穩(wěn)定性高。剛：彈性模量高，變形量小，騎行中不泄力。輕：材料密度小，用料量少，產(chǎn)品凈質(zhì)量輕。巧：流線型設(shè)計(jì)，騎行風(fēng)阻小，騎行速度更快。

碳纖維自行車的創(chuàng)新之處在于：①采用高強(qiáng)、高模的碳纖維材料替代金屬材料，減輕車身重量，制造出更適合選手使用的比賽用車。②采用人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)，使碳纖維自行車安全性更高，滿足客戶要求。③特殊的疊層技術(shù)，使其能制造出質(zhì)量更輕，強(qiáng)度更高的碳纖維自行車車架及其部件。④利用碳纖維預(yù)浸料的可設(shè)計(jì)性，制造出特定造型的自行車或其部件，滿足整車組裝工序的特殊需求。⑤模壓成型工藝，實(shí)現(xiàn)碳纖維自行車一體成型，無縫隙，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，產(chǎn)品造型美觀。⑥采用高強(qiáng)度粘合劑進(jìn)行連接和膠合固化工藝控制技術(shù)。

碳纖維自行車的制作流程：設(shè)計(jì)、裁剪、卷料、預(yù)型、成型、加工、膠合、補(bǔ)磨、涂裝、組裝等。按照碳纖維自行車主部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，將預(yù)浸料裁切成各種尺寸、各種角度；將裁切好的各種尺寸、各種角度的預(yù)浸料卷制到芯模上，卷制到規(guī)定尺寸后，取出芯模；將卷制好的碳纖維復(fù)合材料零部件對接，并穿入氣袋。將預(yù)型好的部件半成品按工藝要求裝入模具，在電熱爐臺(tái)上充氣加壓，加溫固化；將成型好的部件經(jīng)過加工處理，上膠插接后送到烤箱中固化；將膠合后的粗坯進(jìn)行補(bǔ)土、噴漆、打磨。去除表面缺陷，達(dá)到表面平整光滑；貼上水標(biāo)，噴漆、打蠟，然后組裝成整車。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料裁剪工藝

為了確保自行車的安全性，輕量化。設(shè)計(jì)工程師依據(jù)力學(xué)原理在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用碳纖維單向預(yù)浸布，進(jìn)行合理裁剪形成0°、30°、45°、90°等纖維走向，將復(fù)雜的構(gòu)件分解為每一片層逐一卷制疊成為預(yù)制件。單向預(yù)浸布的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高且穩(wěn)定，疊層角度可設(shè)計(jì)，適合做碳纖維自行車的主結(jié)構(gòu)，單向預(yù)浸布的疊層角度設(shè)計(jì)如圖1所示。

單向預(yù)浸布經(jīng)過不同的裁剪方式，可以得到不同的角度料。依據(jù)自行車各部分受力狀況的不同，所使用的角度料就不一樣。在車架座管端口、中變固定座處，需要用90度料來補(bǔ)強(qiáng)，增加抗壓系數(shù)。

碳纖維編織預(yù)浸布，用做碳纖維自行車的外觀，不僅增加了自行車結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，同時(shí)美化了碳纖維自行車的外觀，顯現(xiàn)了碳纖維織物的材料效果。

2 材料界面性能的研究

圍繞碳纖維的表面改性以及配套樹脂的設(shè)計(jì)和合成展開研究工作，目的是促進(jìn)碳纖維與聚合物樹脂基材的界面相容性，重點(diǎn)研究碳纖維及其改性產(chǎn)物與聚合物樹脂復(fù)合后界面結(jié)構(gòu)對材料使用性能的影響，歸納出碳纖維表面性質(zhì)、碳纖維/樹脂界面特性與復(fù)合材料性能三者之間的可控關(guān)系，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能。

3 外固內(nèi)擴(kuò)成型工藝

依據(jù)碳纖維預(yù)浸布樹脂系統(tǒng)的特定要求，設(shè)計(jì)人員針對性地制定了外固內(nèi)擴(kuò)成型工藝，工藝控制主要是針對氣壓、溫度和時(shí)間三個(gè)要素。在成型的過程中，隨著溫度和粘度的變化，物料膠化、軟化、硬化。成型過程中還有一個(gè)很重要的技術(shù)要點(diǎn)，就是加壓時(shí)間的控制。碳纖維復(fù)合材料主部件采用袋壓成型法，即利用耐高溫尼龍袋注入高壓氣體，將復(fù)合材料內(nèi)的空氣擠出，帶動(dòng)樹脂的流動(dòng)，使材料之間達(dá)到一定的密度，然后高溫固化。因?yàn)楫a(chǎn)品的不規(guī)則性，在耐高溫尼龍袋的選用時(shí)，一般會(huì)選用大于產(chǎn)品最大內(nèi)徑的規(guī)格，這樣就造成在產(chǎn)品內(nèi)徑小于尼龍袋的情況下，尼龍袋會(huì)有一定的折疊。因而樹脂在高溫流動(dòng)時(shí)，會(huì)在尼龍袋折疊的地方堆積，產(chǎn)生不規(guī)則的樹脂塊或造成纖維的不平整性。而過多的樹脂堆積，不僅會(huì)增加產(chǎn)品的重量，而且會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，從而影響到產(chǎn)品的使用性能，我們使用EPS成型新工藝解決這一問題。利用EPS高可塑性，能制造比傳統(tǒng)硅膠更加合理的內(nèi)芯，利于產(chǎn)品造型的成型。預(yù)先固化的內(nèi)芯，使產(chǎn)品內(nèi)壁更加光滑、平整，減輕產(chǎn)品的重量，提高產(chǎn)品品質(zhì)。在應(yīng)用EPS工藝后，能利用其預(yù)先固定好的內(nèi)芯型狀，在貼料的過程中能保證材料的平整性，卷制的產(chǎn)品不易變形，從而減少因?yàn)楫a(chǎn)品變形帶來的品質(zhì)問題；利用預(yù)先固化好的外形，在樹脂固化期間，完全避免了因?yàn)槟猃垘У闹丿B而帶來的樹脂堆積，保證了產(chǎn)品內(nèi)壁的平整性，降低了產(chǎn)品重量，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。

4 技術(shù)措施

采用國產(chǎn)碳纖維，應(yīng)用CAD，Pro/Engineer技術(shù)設(shè)計(jì)，ABS材料芯模，預(yù)型補(bǔ)料采用連續(xù)性碳紗，以保證更好的強(qiáng)度與剛性；使用輕克重FAW050和FAW075預(yù)浸料，結(jié)構(gòu)采用圖文并茂的方式，給予保證每片碳紗所貼位置更精準(zhǔn)，從而發(fā)揮碳紗在結(jié)構(gòu)中的更大優(yōu)勢，以節(jié)省出更多的重量空間，以達(dá)到車架等主部件更加輕量化目的。

目前，國際上碳纖維自行車的生產(chǎn)廠商大多集中在歐美、日本、中國臺(tái)灣等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)，如我國市場上的碳纖維自行車生產(chǎn)廠家主要有臺(tái)灣捷安特、美國的美利達(dá)和騅馳等少數(shù)品牌，且其生產(chǎn)出的碳纖維自行車價(jià)格大多數(shù)都在萬元以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通消費(fèi)者的消費(fèi)能力，而國內(nèi)能夠自主生產(chǎn)碳纖維自行車的生產(chǎn)廠家很少。由于我公司從碳布源頭開始做起，自制碳纖維編織布、預(yù)浸布來生產(chǎn)碳纖維自行車，產(chǎn)業(yè)鏈長，生產(chǎn)成本容易控制，比國內(nèi)外各生產(chǎn)企業(yè)更具有競爭優(yōu)勢，該公司的發(fā)展?jié)摿涂臻g很大。近兩年來，公司十分重視神鷹碳纖維自行車“ZGL”自主品牌打造，加大了廣告宣傳力度，積極舉辦各種自行車賽事，參加國內(nèi)國際自行車展覽，提升了“ZGL”的知名度，得到了廣大消費(fèi)者的認(rèn)可，產(chǎn)品有供不應(yīng)求之勢。研發(fā)自主品牌碳纖維自行車，極大地滿足國內(nèi)外體育選手和騎行愛好者對重量輕、性能好的超輕量版碳纖維自行車的迫切需求。促進(jìn)我國碳纖維及其復(fù)合材料等新材料技術(shù)的發(fā)展，打破發(fā)達(dá)國家對高新技術(shù)的壟斷，為我國的國計(jì)民生、國防科技的發(fā)展建設(shè)做出重大貢獻(xiàn)?！猌GL，幫助人們實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)的騎行夢想。