碳纖維復合材料在自行車上的應用

顧良娥　周恒香

摘 要：自行車是人們日常生活中不可缺少的代步工具，深受世界各國人民喜愛，形成了巨大的自行車消費市場。隨著現代社會的飛快發展，自行車已不僅僅是交通和運輸工具，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、新材料的自行車出現，以使自行車外觀更具美感，更具輕量化，騎乘舒適性更好。

關鍵詞：碳纖維；自行車；應用

碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料，碳纖維在自行車領域的應用，被稱為自行車行業的“黑色革命”。碳纖維自行車具有以下優點：

精：塑性變形小，回彈性好，尺寸穩定性高。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，產品凈質量輕。巧：流線型設計，騎行風阻小，騎行速度更快。

碳纖維自行車的創新之處在于：①采用高強、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采用人機工程學進行計算機模擬設計，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，使其能制造出質量更輕，強度更高的碳纖維自行車車架及其部件。④利用碳纖維預浸料的可設計性，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，實現碳纖維自行車一體成型，無縫隙，結構強度高，產品造型美觀。⑥采用高強度粘合劑進行連接和膠合固化工藝控制技術。

碳纖維自行車的制作流程：設計、裁剪、卷料、預型、成型、加工、膠合、補磨、涂裝、組裝等。按照碳纖維自行車主部件結構設計要求，將預浸料裁切成各種尺寸、各種角度；將裁切好的各種尺寸、各種角度的預浸料卷制到芯模上，卷制到規定尺寸后，取出芯模；將卷制好的碳纖維復合材料零部件對接，并穿入氣袋。將預型好的部件半成品按工藝要求裝入模具，在電熱爐臺上充氣加壓，加溫固化；將成型好的部件經過加工處理，上膠插接后送到烤箱中固化；將膠合后的粗坯進行補土、噴漆、打磨。去除表面缺陷，達到表面平整光滑；貼上水標，噴漆、打蠟，然后組裝成整車。

1 結構設計與材料裁剪工藝

為了確保自行車的安全性，輕量化。設計工程師依據力學原理在結構設計上采用碳纖維單向預浸布，進行合理裁剪形成0°、30°、45°、90°等纖維走向，將復雜的構件分解為每一片層逐一卷制疊成為預制件。單向預浸布的優點是強度高且穩定，疊層角度可設計，適合做碳纖維自行車的主結構，單向預浸布的疊層角度設計如圖1所示。

單向預浸布經過不同的裁剪方式，可以得到不同的角度料。依據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度料來補強，增加抗壓系數。

碳纖維編織預浸布，用做碳纖維自行車的外觀，不僅增加了自行車結構件的強度，同時美化了碳纖維自行車的外觀，顯現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計和合成展開研究工作，目的是促進碳纖維與聚合物樹脂基材的界面相容性，重點研究碳纖維及其改性產物與聚合物樹脂復合后界面結構對材料使用性能的影響，歸納出碳纖維表面性質、碳纖維/樹脂界面特性與復合材料性能三者之間的可控關系，實現碳纖維復合材料的優異性能。

3 外固內擴成型工藝

依據碳纖維預浸布樹脂系統的特定要求，設計人員針對性地制定了外固內擴成型工藝，工藝控制主要是針對氣壓、溫度和時間三個要素。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很重要的技術要點，就是加壓時間的控制。碳纖維復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，將復合材料內的空氣擠出，帶動樹脂的流動，使材料之間達到一定的密度，然后高溫固化。因為產品的不規則性，在耐高溫尼龍袋的選用時，一般會選用大于產品最大內徑的規格，這樣就造成在產品內徑小于尼龍袋的情況下，尼龍袋會有一定的折疊。因而樹脂在高溫流動時，會在尼龍袋折疊的地方堆積，產生不規則的樹脂塊或造成纖維的不平整性。而過多的樹脂堆積，不僅會增加產品的重量，而且會產生一定的應力，從而影響到產品的使用性能，我們使用EPS成型新工藝解決這一問題。利用EPS高可塑性，能制造比傳統硅膠更加合理的內芯，利于產品造型的成型。預先固化的內芯，使產品內壁更加光滑、平整，減輕產品的重量，提高產品品質。在應用EPS工藝后，能利用其預先固定好的內芯型狀，在貼料的過程中能保證材料的平整性，卷制的產品不易變形，從而減少因為產品變形帶來的品質問題；利用預先固化好的外形，在樹脂固化期間，完全避免了因為尼龍帶的重疊而帶來的樹脂堆積，保證了產品內壁的平整性，降低了產品重量，提高了產品的品質。

4 技術措施

采用國產碳纖維，應用CAD，Pro/Engineer技術設計，ABS材料芯模，預型補料采用連續性碳紗，以保證更好的強度與剛性；使用輕克重FAW050和FAW075預浸料，結構采用圖文并茂的方式，給予保證每片碳紗所貼位置更精準，從而發揮碳紗在結構中的更大優勢，以節省出更多的重量空間，以達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廠商大多集中在歐美、日本、中國臺灣等發達國家及地區，如我國市場上的碳纖維自行車生產廠家主要有臺灣捷安特、美國的美利達和騅馳等少數品牌，且其生產出的碳纖維自行車價格大多數都在萬元以上，遠遠超出了普通消費者的消費能力，而國內能夠自主生產碳纖維自行車的生產廠家很少。由于我公司從碳布源頭開始做起，自制碳纖維編織布、預浸布來生產碳纖維自行車，產業鏈長，生產成本容易控制，比國內外各生產企業更具有競爭優勢，該公司的發展潛力和空間很大。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，參加國內國際自行車展覽，提升了“ZGL”的知名度，得到了廣大消費者的認可，產品有供不應求之勢。研發自主品牌碳纖維自行車，極大地滿足國內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。促進我國碳纖維及其復合材料等新材料技術的發展，打破發達國家對高新技術的壟斷，為我國的國計民生、國防科技的發展建設做出重大貢獻。——ZGL，幫助人們實現更高品質的騎行夢想。