碳纤维山地自行车架生产工艺的发展现状与发展趋势 - 碳纤维
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碳纤维山地自行车架生产工艺的发展现状与发展趋势
碳纤维山地自行车架生产工艺的发展现状与发展趋势
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&&& 自 20 世纪 7 0 年代人们开始在自行车设计和制造中采用碳纤维复合材料以来, 碳纤维自行车逐渐成为高级运动自行车的发展方向, 受到了越来越多的关注。随着碳纤维复合材料制造技术逐渐趋于成熟, 碳纤维售价大幅度下降, 促进了碳纤维自行车的开发研究。经过多年的发展, 碳纤维复合材料已成为高、 中档自行车车架 的主流材料, 受到了普遍欢迎。&&& 碳纤维复合材料具有强度高、 模量大、 密度小、抗疲劳性能好、 振动小、 耐环境性能强等优点, 用其制造的碳纤维自行车架具有以下特点。&&& 1) 质量轻, 刚度大树脂 基 碳 纤 维 复 合 材料 的 密 度 通 常 为 1 .6g/ cm3左右, 仅为钢密度的 1 / 5, 但其拉伸模量却可以达到高强钢的 1. 5 倍以上。目前, 高档碳纤维山地车架质量普遍低于铝合金、 钛合金山地车架, 而刚度却更大, 提高了车手的踩踏效率, 节省了体力。&&&& 2) 抗振性好&&& 对形状与尺寸相同的梁的试验表明, 轻合金梁需要 9 s 才能停止振动, 碳纤维复合材料梁只需 2. 5s。复合材料良好的阻尼性减轻了自行车的颠簸, 改善了山地车手的骑乘舒适性。&&& 3) 抗疲劳特性好&&& 碳纤维车架耐疲劳试验可达 100 万次以上, 远远超过了 JI S
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1984 规定的 10 万次标准。从疲劳断裂的方式来看, 一般金属车架的断裂都是突发的、 没有征兆的, 而碳纤维车架的疲劳断裂一般是在出现裂纹之后, 客观上增加了事故预判的可能性, 从而提高了车手的安全性。&&& 4) 耐锈蚀&&& 相对于传统金属车架而言, 碳纤维自行车架具有无可置疑的抗环境性, 耐酸、 碱及工业大气, 性能良好, 不会产生锈蚀。&&& 5) 结构设计自由度大&&& 碳纤维车架一般是先制作模具, 然后在模具上铺设碳纤织片, 最后用环氧树脂进行黏接固化。这种制造方式使得结构设计更加自由, 可以根据碳纤维复合材料的各向异性, 按自行车运行时所受载荷的方向与大小, 设计出纤维的最优排列和铺放方式,还可以根据空气动力学原理, 设计出更为合理的车架造型, 降低整车的风阻。在拥有诸多优点的同时, 碳纤维山地车架也有一些缺点。1) 应力计算复杂&&& 由于碳纤维复合材料具有明显的各向异性, 所以在制造车架时, 需要针对纵向刚度、 横向刚度等要求进行复杂的应力计算, 然后才能进行工艺设计。2) 抗穿刺性能差&&& Can no nd ale 公司曾 对其生产的山 地车架进 行了夹钳试验, 将车架上管挤压变形并卸载后, 铝合金车架产生了永久变形, 而碳纤维车架马上恢复原状;当采用尖锐物冲击时, 铝合金车架发生局部破坏, 但仍可使用, 而碳纤维车架由于较多纤维断裂, 强度无法保证。从用户反馈信息来看, 碳纤维车架失效通常都是因为碰到了石尖等尖锐物或受到了点冲击。3) 价格昂贵&&& 和钛合金车架相比, 碳纤维车架的价格有过之而无不及, 顶级碳纤维车架的价格可以达到甚至超过 2 万元人民币。除了优质碳纤维原材料本身的价格因素外, 主要还因为碳纤维车架的制作过程需要很多的手工操作, 并且成品率较低, 造成生产成本大幅上升。1 .碳纤维山地自行车架成型工艺&&& 目前, 碳纤维复合材料的成型工艺主要有裱糊成型、 拉挤成型、 纤维缠绕成型、 R T M 成型、 三维编织成型、 热压罐成型等工艺方法, 其中以 RT M 成型工艺最为适合碳纤维自行车架的制造。&&& RT M ( R e s in T r a n s fer M oldin g) 成型工艺又称树脂传递模塑、 树脂注射成型等, 是指低黏度树脂在闭合模具中流动、 浸润增强材料并固化成形的一种工艺技术, 具有工艺过程简单、 作业环境清洁、 制件表面质量好和易于实现等特点。一般的碳纤维车架RT M 工艺流程如下。1) 编织碳布&&& 将碳纤维丝拉直并预浸树脂后, 运用纺织工艺织成半固化的碳纤维片, 也称 碳布 。目前, 在自行车架上常用的碳布编织方法按每束碳纤维纱中所含单丝的根数可分为 1 K 、 3K 和 12K 等种类, 其中1K 和 3K 碳布 主要用于内部层叠铺设, 而大丝束碳布, 如 1 2K 等则常用于车架外观层铺设。2) 模具铺设&&& 对车架模具或车架部段模具进行脱模处理, 然后将
碳布 按 设计层数和方向层叠铺设于模 具表面, 在此过程中需要根据情况对五通、 头管等特殊部段加温, 以使其更易成型。3) 固化成型&&& 将铺设好的车架内置入密封的聚氨酯内胆, 并在座管夹部位预留加压口, 在五通管部位放置钢轴定型, 然后将车架整体 放进钢模中( 如图 1 所示) 。用树脂注射机将一定量的环氧树脂注入模具, 将内胆中充入高压气体, 使碳布紧贴模具, 同时在高温烤炉中加热, 使车架固化成型。
4) 表面处理车架固化成型后需要对其表面进行打磨抛光处理, 去除毛刺, 然后按照设计要求贴花喷漆即可。为了便于生产, 最初的碳纤维车架都采用分段固化成型的方法生产, 然后再将各段连接, 这种车架的缺点是接头强度不高或连接件较重, 不能完全体现碳纤维复合材料的优势。目前, 较好的碳纤维车架都已采用一体式( M ono c oq ue) 成型工艺, 提升了车架的整体性能。
资讯来源:海军航空工程学院 战略导弹工程系
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