先进碳纤维复合材料在自行车上的应用

碳纤维在体育制品上的应用起源于上个世纪70年代。从2000年代开始，碳纤维车架就开始迅速取代钢、铝合金、钛合金等金属材质车架，成为高级运动自行车车架及许多零部件的主要制造材料。与常规自行车相比，碳纤维复合材料自行车不仅外观时尚新颖，而且还具有抗老化、减震效果好、安全性能高、质量轻等优点。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。

碳纤维复合材料在自行车上应用有哪些优势？目前碳纤维复合材料在自行车上应用现状如何？未来，碳纤维复合材料在自行车在国际国内发展趋势又怎样的？本期会客室，我们请泰山体育产业集团山东泰山瑞豹复合材料有限公司技术总监邓龙洵先生为我们一一解答。

RPC：请您介绍一下碳纤维复合材料在自行车上应用的优势都有哪些？

邓总监：首先碳纤维复合材料的可设计自由度大，成型工艺多，易于实现产品一体化生产，从而减少零部件的使用；没有衔接缝隙，能够极大缩短开发周期，节约成本。其次，碳纤维复合材料耐腐蚀、抗老化；在选用不同体系基材的情况下，还可获得不同的特性。此外，这种材料的减震效果好，阻尼性高，能极大提高自行车骑乘舒适性；碳纤维复材的密度小、强度高，在常用材料中比强度和比模量最高，用于产品上，能起到在减轻重量的同时不损失强度或刚度。其结构强度高，产品造型美观，能优化自行车整车的组装工序。

RPC：您能否举例说明碳纤维复合材料在自行车上应用时，有哪些优势？又会产生哪些问题？如何解决这些问题呢？

邓总监：通过高模量碳纤维及其预浸料混合使用、消失模等关键技术进行的结构设计，能够提升产品性能。车架材料采用了多种高模量碳纤维预浸料混合使用，通过多角度铺层优化，结构刚度和强度大大提高。

但由于采用不同模量碳纤维混杂设计，会造成高、低模量的碳纤维在力的作用下产生界面问题。为解决这个问题，我们采取从改良树脂基着手，以提高层与层之间结合性。同时在铺层设计上，高模量的碳纤维只采用小角度单层，减小与低模量碳纤维在受力时的相互作用。另外，低模量碳纤维采用大角度化铺层设计，也会分解受力时的相互作用力。

RPC：那么，您提到的消失模一体成型工艺，在封闭式整体车架模压成型中是如何应用的呢？

邓总监：这是利用了一种聚烯烃泡沫高分子聚合物在受热时的收缩特性。在包覆时先将芯膜装入气袋，封闭气袋抽真空后进行包覆、成型，在成型过程中芯模受热收缩，自行脱落。由于车架是复杂的三角形结构，各部位结构变化比较大，传统的制作过程都是将前三角进行拆分为头管、上管、座管、五通、下管五部分，然后预型到一起。这样不仅会产生断面，降低车架强度，而且在预型过程中预型料的使用会增加车架重量。因此，若想达到重量轻、强度高的目的，最好的方式是整体铺层。

车架采用消失模一次整体成型工艺，简化了车架结构，减少了车架组成零件和连接零件的数量，有效地减轻了车架重量，降低工艺辅材的消耗，提高车架结构的整体性能，这种工艺经过我们研究，已实现工业量产，并且对此工艺申请了专利。

此外，为响应绿色环保号召，山东泰山瑞豹公司研究了热固性树脂基复合材料可降解技术，为实现碳纤维复合材料自行车的全车可降解回收，进行技术储备。

RPC：在自行车的生产和选择材料的过程中，有什么需要注意的事项呢？比如如何选择碳纤维材料的等级？不同模量的预浸料是如何运用的？

邓总监：运用复合材料有限元分析软件对车架各部位和整体受力进行仿真模拟分析，综合考虑不同等级材料特性和成本因素，来决定最终选择碳纤维材料的等级。对不同模量的预浸料力学性能进行测试，得出不同模量的纤维的复合材料的许用值，同时对典型铺层的结构进行许用值的测试与分析，运用复合材料的本构关系对其刚度进行推导，得到其刚度矩阵。

对车架各部位和整体受力进行仿真模拟分析，通过有限元的计算，对铺层结构进行优化，进而制作出高性能的碳纤维复合材料车架，降低材料使用量，减低车架重量。

虽然有限元分析方法应用于航空界复合材料结构强度分析已发展成熟，但在国内碳纤维复合材料自行车行业尚未见报道，其强度设计主要依靠工程技术人员的反复尝试和试验。我们运用有限元分析软件对车架各部位和整体受力进行仿真模拟分析，综合考虑不同等级材料特性和成本因素，来决定最终选择碳纤维材料的等级。对不同模量的预浸料力学性能进行测试，得出不同模量的纤维的复合材料的许用值，同时对典型铺层的结构进行许用值的测试与分析，运用复合材料的本构关系对其刚度进行推导，得到其刚度矩阵。比如：

应用此分析模型和验证结果，可以对铺层结构进行了优化。

我们再利用超声波无损检测技术，对经过分析制作出来的车架进行检测。运用超声波无损检测技术具有对材料穿透能力强、缺陷定位准确、灵敏度高、检测成本低、速度快、设备轻便、对人体及环境无害、现场使用较方便等特性，应用于碳纤维复合材料结构件内部缺陷检测上，为碳纤维复合材料的新产品研制和批产品质的把关发挥很大的作用。

标准中的质量等级要求区域示意图

为了满足全复合材料车架轻量化要求，采用不同模量的预浸料进行铺层设计是有效的技术途径，但由于复合材料车架不同部位的刚度要求各异，同时还要兼顾铺层的连续性，这就增加了选材的难度和铺层设计的复杂性。

通过对环氧树脂的研究，选用符合要求的树脂，再对相应树脂的预浸料进行数据检测，制定出预浸料性能标准。

我们自主研发的TR1219A环氧树脂基碳纤维预浸料的性能，经测试，基本力学性能与同类航空用预浸料的相当，但其价格相当于航空预浸料的1/15。

RPC：最后，请您谈谈目前碳纤维复合材料在自行车在国际国内发展趋势是怎样的？未来的前景如何？

邓总监：根据全球碳纤维自行车架市场调查分析，得益于树脂、纤维增强复合材料等新技术的不断发展，各行业对碳纤维复合材料的需求呈现不断增长的态势，因此，2017-2021年间，全球碳纤维自行车架市场的年均增长率预计将达到27%，到2021年市场需求将达到1443万套。

主要的发展趋势有如下几个方面：通过手工打造完美精品；利用工艺革新进一步压缩成本；自行车联网技术也将方兴未艾。

先进碳纤维复合材料自行车制造业在我国经过多年发展，技术处于百家争鸣时期，在此，业内人士可以抓住这个时期的良好机遇，努力做好以下几方面的工作：首先，纤维材料应用高度重视纤维及其复合材料的数据的积累和共享数据库的建立。其次是产学研各方要紧密联系在一起，只有技术研究上不断地提升，才能产品的特色进而获得市场。同时，要加快纤维复合材料专业人员的培养，以新产品开发为牵引，在有经验的工程技术专家的指导下，通过一个产品的设计分析、材料选择、样品试制、性能测试等环节的实际工作的锻炼，培养一批复合材料自行车方面的专业技术人才。