采用國(guó)產(chǎn)碳纖維制造自行車架的成型工藝探討及應(yīng)用

周恒香 顧良娥 尚武林 張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車有限責(zé)任公司，江蘇連云港 222000）

1 碳纖維制備自行車

自1791年法國(guó)人西夫拉克發(fā)明第一架自行車雛形以來(lái)，不論時(shí)代怎么變遷，科技怎么發(fā)達(dá)，自行車始終與人們的生活息息相關(guān)。自行車自誕生之日起，其制造材料一直以金屬為主，從普通鋼到鉻鉬鋼、錳鉬鋼、不銹鋼等特殊鋼，再到鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕合金，材料每更新一次，其性能就前進(jìn)一步。到了20世紀(jì)80年代，以碳纖維為主的復(fù)合材料悄然在自行車行業(yè)興起，使傳統(tǒng)的自行車生產(chǎn)工藝走向高科技。中國(guó)大陸及臺(tái)灣地區(qū)作為碳纖維自行車的主要生產(chǎn)基地，采用高性能國(guó)產(chǎn)碳纖維，依靠科學(xué)的管理體系及突出的人口紅利，生產(chǎn)出了高性價(jià)比的國(guó)產(chǎn)碳纖維自行車，使得以前專業(yè)車手及高端人群才能消費(fèi)起的高端碳纖維自行車逐步進(jìn)入了尋常百姓家，并逐漸成為人們運(yùn)動(dòng)休閑、健康環(huán)保新生活的好伙伴。

碳纖維既具有類似石墨結(jié)構(gòu)的低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗蠕變、耐化學(xué)腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)和低膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，又具有纖維材料的柔軟可編織性及取向性好的特點(diǎn)，所以利用碳纖維作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料已廣泛用于航空、航天、國(guó)防軍工、建筑、機(jī)械、電子、文體、醫(yī)療和生物工程等眾多領(lǐng)域。采用碳纖維復(fù)合材料制造的自行車具有很多特點(diǎn)[1]：

1.1 有效地降低自行車的重量

碳纖維復(fù)合材料的密度通常為1.6g/cm3，是鋼的1/5，比鋁合金還減重40%，非常適合制造輕克重的自行車，據(jù)說(shuō)世界上最輕的碳纖維自行車只有1.25kg，能顯著提高騎行的輕便性。

1.2 明顯提高自行車整體的剛性

剛性好的車架有利于驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換，提高操縱性能。碳纖維復(fù)合材料自行車結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易變形。登坡時(shí)順利而爽快，不會(huì)像一些輕的鋁合金車架，登坡時(shí)感到有一種向后拉的力量。

1.3 顯著改善了自行車的抗震性

結(jié)構(gòu)的自振頻率除了與結(jié)構(gòu)有關(guān)外，與材料比模量的平方根成正比，高的自振頻率避免了工作狀態(tài)下共振引起的早期破損。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)合材料只需要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。

1.4 安全性好

碳纖維復(fù)合材料車架耐疲勞試驗(yàn)可達(dá)100萬(wàn)次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)歐盟標(biāo)準(zhǔn)。碳纖維復(fù)合材料中基體是以連續(xù)相形式包圍著大量獨(dú)立存在的纖維，這種由多相組成的材料在受到?jīng)_撞時(shí)，即使有少量的纖維斷裂，其載荷會(huì)迅速重新分配到未被破壞的纖維上，使結(jié)構(gòu)還能承載，同時(shí)產(chǎn)生裂紋而被早期發(fā)現(xiàn)，而不會(huì)像一般金屬車架的斷裂都是突發(fā)的、沒(méi)有征兆的。因此，大大提高了騎乘的安全性。

1.5 良好的耐銹蝕性

高分子材料耐酸，堿、工業(yè)大氣性能良好，因此，使碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料制成的自行車零部件有無(wú)可置疑的耐環(huán)境性能。

1.6 增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度

碳纖維復(fù)合材料的最大特點(diǎn)是各向異性，利用這一特點(diǎn)可按自行車運(yùn)動(dòng)時(shí)所受載荷的方向與大小排列和鋪放纖維。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性及材料性能的優(yōu)越性，還促使采用碳纖維復(fù)合材料能制造出各種傳統(tǒng)金屬材料無(wú)法完成的造型，挑戰(zhàn)自行車的傳統(tǒng)造型。

2 國(guó)產(chǎn)碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)是碳纖維消費(fèi)大國(guó)，長(zhǎng)期以來(lái)碳纖維大量依賴進(jìn)口，由于受到國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)產(chǎn)碳纖維的生產(chǎn)裝備及制備技術(shù)與國(guó)外有一定的差異，近幾年國(guó)家出臺(tái)一系列政策，加快了碳纖維產(chǎn)業(yè)自主研發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)程。目前，國(guó)產(chǎn)碳纖維主要性能指標(biāo)已經(jīng)完全達(dá)到東麗T300的水平，以中復(fù)神鷹公司為例，其已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)的SYT45碳纖維已達(dá)到東麗T700的水平，民用和工業(yè)使用的碳纖維正逐步被國(guó)產(chǎn)化。國(guó)產(chǎn)碳纖維從T300水平發(fā)展到T700水平，纖維的質(zhì)量得到了顯著的提升，由于T700與T300屬于同一模量級(jí)別，但是拉伸強(qiáng)度得到大幅度提升，T700及同等級(jí)別的國(guó)產(chǎn)碳纖維將逐漸成為未來(lái)市場(chǎng)應(yīng)用的主體。從碳纖維到復(fù)合材料60%-70%都要經(jīng)過(guò)制備預(yù)浸料這一過(guò)程，因此要求國(guó)產(chǎn)碳纖維有基本相同的連續(xù)長(zhǎng)度，而且長(zhǎng)度應(yīng)盡可能長(zhǎng)，毛絲少、無(wú)毛團(tuán)，纖維束不能有劈絲，收卷的纖維能展平到一定寬度，纖維不能有捻。雖然21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)產(chǎn)碳纖維得到前所未有的發(fā)展，但是在提供用戶使用時(shí)，仍需注意以下幾點(diǎn)：力學(xué)性能是基礎(chǔ)，性能穩(wěn)定性是關(guān)鍵，工藝性能是規(guī)模化使用的前提，可接受的價(jià)格是擴(kuò)大應(yīng)用的條件[2]。

3 國(guó)產(chǎn)碳纖維制備自行車架工藝討論及應(yīng)用

3.1 車架成型工藝的討論

碳纖維自行車車架的制造涉及到連續(xù)性纖維預(yù)浸料的制備、預(yù)浸料的裁剪、卷料，成型及后續(xù)整理等工藝，工藝集成度高，技術(shù)密集性強(qiáng)，任意環(huán)節(jié)的疏忽都會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。其中，碳纖維自行車架的成型工藝是整個(gè)工藝流程中最關(guān)鍵的部分，車架成型的情況直接決定了最終整車的內(nèi)在質(zhì)量，也是整車減重及生產(chǎn)質(zhì)量管理體系中的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，碳纖維自行車架的成型工藝主要是采用以預(yù)浸料為基礎(chǔ)的氣囊成型法（加壓袋壓法），將預(yù)型為車架形狀的預(yù)浸料卷制粗坯放置于上下金屬對(duì)模的模腔中，粗坯中間穿有耐高溫的尼龍袋，然后將對(duì)模放置于加熱加壓的爐臺(tái)中使上下對(duì)模合緊受熱，并在尼龍袋內(nèi)充高壓氣體使粗坯型腔飽滿而緊貼對(duì)模內(nèi)腔，最終預(yù)浸料卷制粗坯中的樹(shù)脂由于受熱而固化賦予了車架堅(jiān)固的形狀，經(jīng)脫模而完成碳纖維車架的成型過(guò)程。

碳纖維自行車架成型工藝根據(jù)粗坯置入對(duì)模時(shí)模具的溫度不同可以分為“冷模工藝”和“熱模工藝”。冷模工藝的起始模具溫度較低，通常模溫稍高于室溫即可，既可以使料坯微熱便于入模，又可以防止模具表面凝水。冷模工藝由于起始模溫較低，所以樹(shù)脂需要較長(zhǎng)時(shí)間才能固化，效率較低，但成型質(zhì)量較好，適合對(duì)外觀要求較高的車架。熱模工藝的起始模具溫度較高，一般高于100℃，能使樹(shù)脂快速固化，但是較快速的固化速度會(huì)造成車架內(nèi)部應(yīng)力較大、外觀不如冷模好，因此適合成型一般碳制品車架，效率較高，有助于降低能耗。

針對(duì)碳纖維車架成型的氣囊成型法，其溫度、時(shí)間及氣壓間的關(guān)系非常重要，將直接影響到制品的樹(shù)脂含量、分布、剛性、抗沖擊性、耐疲勞性及外觀質(zhì)量。由于預(yù)浸料在卷制等過(guò)程中不可避免的在復(fù)合材料中引入了空氣、水等易揮發(fā)物質(zhì)，因此在成型時(shí)需要借助氣囊擠出一定的樹(shù)脂，將復(fù)合材料中的氣體帶出，賦予復(fù)合材料高致密性及高纖維含量，也是碳纖維車架高剛性的必要保證；同時(shí)還不能擠出太多的樹(shù)脂，否則容易造成復(fù)合材料中纖維沒(méi)有足夠的樹(shù)脂粘結(jié)而產(chǎn)生分層等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致成型產(chǎn)品的報(bào)廢。假如在成型時(shí)沒(méi)有樹(shù)脂流失將造成樹(shù)脂含量及復(fù)合材料內(nèi)部有孔洞，導(dǎo)致車架剛性不足及力學(xué)性能下降。而樹(shù)脂的流失量與氣囊成型法的溫度、時(shí)間及氣壓設(shè)置緊密相連，是成型質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程的狀態(tài)示意圖

在討論氣囊成型法之前，要首先討論預(yù)浸料用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂各個(gè)固化過(guò)程的狀態(tài)，如圖1所示環(huán)氧樹(shù)脂在固化過(guò)程中需要經(jīng)歷4個(gè)狀態(tài)，分別是高粘態(tài)、粘流態(tài)、凝膠態(tài)及玻璃態(tài)[3]。預(yù)浸料在被加熱至一定溫度之前，樹(shù)脂不具有流動(dòng)性，粘度受溫度的主導(dǎo)。當(dāng)隨著溫度的升高，樹(shù)脂開(kāi)始變得越來(lái)越容易流動(dòng)，此時(shí)化學(xué)反應(yīng)仍較緩慢，粘度受溫度的主導(dǎo)。當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值，粘度開(kāi)始迅速上升，化學(xué)反應(yīng)明顯加速，此時(shí)粘度受化學(xué)反應(yīng)程度的主導(dǎo)，樹(shù)脂基體很快從粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，這個(gè)過(guò)度階段被稱為凝膠態(tài)，凝膠態(tài)的時(shí)間非常短，從幾分鐘到幾十秒不等。

圖2 氣囊成型法三段加壓示意圖

如圖2所示為氣囊成型法時(shí)常采用的三段加壓示意圖，階段①賦予氣囊較小的氣壓，首先撐起氣囊，此時(shí)預(yù)浸料粗坯緩慢受熱，樹(shù)脂粘度仍較大，較小的氣壓有助于減少粗坯的褶皺；階段②賦予氣囊中等的氣壓，此時(shí)樹(shù)脂粘度較低，比較容易流動(dòng)，中等的氣壓有助于緩慢排除樹(shù)脂中的氣體，同時(shí)還不至于排除過(guò)量的樹(shù)脂；階段③賦予氣囊較高的氣壓，進(jìn)一步擠出樹(shù)脂中的氣泡，同時(shí)賦予碳纖維復(fù)合材料較高的致密性及剛性。

針對(duì)碳纖維自行車架成型時(shí)樹(shù)脂流失量的控制，關(guān)鍵是如何把握好圖1和圖2所示的固化過(guò)程狀態(tài)及三段加壓的內(nèi)在聯(lián)系，即需要首先知道特定成型工藝條件下的樹(shù)脂狀態(tài)變化過(guò)程，確定大概的凝膠時(shí)間點(diǎn)及對(duì)應(yīng)溫度，然后根據(jù)樹(shù)脂的狀態(tài)變化及凝膠點(diǎn)設(shè)定各階段氣壓的大小及時(shí)間范圍。比如樹(shù)脂的最低粘度較低，則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)及降低①②階段的時(shí)間及氣壓；樹(shù)脂的最低粘度較高，則應(yīng)適當(dāng)縮短及提高①②階段的時(shí)間及氣壓，最終使樹(shù)脂流失量穩(wěn)定在一個(gè)可控的范圍內(nèi)。

3.2 車架成型工藝的應(yīng)用

圖3 冷模工藝及熱模工藝時(shí)模具的實(shí)際升溫曲線

如圖3所示分別為冷模工藝及熱模工藝時(shí)模具的實(shí)際升溫曲線，根據(jù)實(shí)際升溫曲線，可以分別擬合出2種工藝下的近似升溫過(guò)程。冷模工藝近似升溫過(guò)程：從室溫開(kāi)始5℃/min升溫至90℃，其后2.5℃/min升溫至100℃，2℃/min升溫至110℃，再1.5℃/min升溫至120℃，最后1℃/min升溫至最高溫度并恒溫。熱模工藝近似升溫過(guò)程：從120℃開(kāi)始2.5℃/min升溫至最高溫并恒溫。根據(jù)擬合的升溫曲線，可以在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行模擬升溫固化樹(shù)脂基體，并定性判斷樹(shù)脂的固化狀態(tài)過(guò)程，從而確定圖1所示的環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程的狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)已經(jīng)確定的實(shí)際固化過(guò)程狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)來(lái)設(shè)置圖2所示的三段加壓時(shí)間點(diǎn)，并根據(jù)車架成型中樹(shù)脂從模具中流出的情況來(lái)設(shè)置氣囊壓力的大小，從而最終制定出適合實(shí)際成型狀況的工藝參數(shù)。

4 結(jié)論

由于國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)碳纖維關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的封鎖，國(guó)產(chǎn)碳纖維規(guī)模化應(yīng)用的時(shí)間較短，配套應(yīng)用開(kāi)發(fā)較薄弱，導(dǎo)致市場(chǎng)上流通的樹(shù)脂體系大多是針對(duì)東麗等知名廠商碳纖維而開(kāi)發(fā)，與國(guó)產(chǎn)碳纖維性能及工藝性不能完全地匹配，因此就要因地制宜有針對(duì)性地選擇或自主研發(fā)環(huán)氧樹(shù)脂體系，或?qū)Τ尚凸に噮?shù)進(jìn)行優(yōu)化，使樹(shù)脂基體和國(guó)產(chǎn)碳纖維更加良好地匹配，以期發(fā)揮出更加優(yōu)越的性能。本文針對(duì)碳纖維自行車架成型工藝進(jìn)行了深層次探討及應(yīng)用舉例，給出了如何從工藝角度解決現(xiàn)有市場(chǎng)上流通樹(shù)脂與國(guó)產(chǎn)碳纖維不匹配的問(wèn)題，將對(duì)自主研發(fā)樹(shù)脂體系及提高國(guó)內(nèi)碳制品成型的工藝水平起到推動(dòng)作用；解決了在實(shí)際應(yīng)用中遇到新問(wèn)題時(shí)根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有很好的解決辦法或調(diào)整工藝參數(shù)時(shí)總是畏首畏尾的問(wèn)題。

[1] 王 斌，許宜賀，隋玉堂. 碳纖維山地自行車架生產(chǎn)工藝的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 新技術(shù)新工藝.2011(5):67-70.

[2] 張鳳翻. 國(guó)產(chǎn)碳纖維規(guī)模化生產(chǎn)及應(yīng)用值得注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 高科技纖維與應(yīng)用.2005,30(6):1-6.

[3] 何平笙. 熱固性樹(shù)脂的3T固化狀態(tài)圖[J]. 粘合劑.1987(1):26-28.