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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分析-工艺及技术-上海华子新材料科技三分时时彩

分类:
工艺及技术
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华子碳纤维复合材
发表时间:
2013-12-06

自20世纪70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16g/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9s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JIS94011984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
Cannondale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。
Cannondale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、RTM成型、三维编织成型、热压罐成型等工艺方法,其中以RTM成型工艺最为适合碳纤维自行车架的制造。
RTM(ResinTransferMolding)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RTM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1K、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12K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)表面处理图1碳纤维车架RTM模具
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(Monocoque)成型工艺,提升了车架的整体性能。
2碳纤维山地自行车架发展现状
自进入本世纪以来,随着碳纤维技术和山地自行车运动的发展,国内外的一些公司对碳纤维山地车架的制造工艺进行了大量的研究和创新设计,推出了各种性能优异的碳纤维车架,使碳纤维复合材料的优越性得以充分体现。
美国Trek公司应用其OCLV专利技术,精确控制了碳纤维车架成型过程中的温度和压力,消除了车架制作过程中多层多方向层叠碳纤维之间产生的气泡,从而使车架具有了最大的强度质量比;在车架碳纤维结构部段连接方面,Trek公司采用阶梯式连接法(STEPJOINT),保持了管壁厚度的一致性与连贯性(如图2所示)。
图2STEPJOINT接头
以生产高品质钛合金车架而闻名的TitusBicycles公司,成功引进Vyatek运动科技公司的专利技术,采用激光切割、多次固化成型等加工工艺,将钛合金与碳纤维复合材料连接,推出了IsoGrid和ExoGrid钛碳复合管材,这2种山地车架管材兼具了钛合金车架和碳纤维复合材料的优点(如图3、图
Cannondale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、RTM成型、三维编织成型、热压罐成型等工艺方法,其中以RTM成型工艺最为适合碳纤维自行车架的制造。
RTM(ResinTransferMolding)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RTM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1K、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12K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)表面处理图1碳纤维车架RTM模具
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(Monocoque)成型工艺,提升了车架的整体性能。
2碳纤维山地自行车架发展现状
自进入本世纪以来,随着碳纤维技术和山地自行车运动的发展,国内外的一些公司对碳纤维山地车架的制造工艺进行了大量的研究和创新设计,推出了各种性能优异的碳纤维车架,使碳纤维复合材料的优越性得以充分体现。
美国Trek公司应用其OCLV专利技术,精确控制了碳纤维车架成型过程中的温度和压力,消除了车架制作过程中多层多方向层叠碳纤维之间产生的气泡,从而使车架具有了最大的强度质量比;在车架碳纤维结构部段连接方面,Trek公司采用阶梯式连接法(STEPJOINT),保持了管壁厚度的一致性与连贯性(如图2所示)。
图2STEPJOINT接头
以生产高品质钛合金车架而闻名的TitusBicycles公司,成功引进Vyatek运动科技公司的专利技术,采用激光切割、多次固化成型等加工工艺,将钛合金与碳纤维复合材料连接,推出了IsoGrid和ExoGrid钛碳复合管材,这2种山地车架管材兼具了钛合金车架和碳纤维复合材料的优点(如图3、图
的数据和更合理的外形设计。
2)体育和航天科技的引进。碳纤维复合材料技术在军工、航天和体育科技等很多领域都得到了广泛的应用,这些领域的某些研究成果已应用到山地自行车架的设计和制造中,例如IsoTruss网状结构、Nanotechnology纳米碳技术以及Vyatek公司的IsoGrid、ExoGrid和BiFusion等专利技术均给碳纤维自行车架的设计和制造注入了新鲜血液。若能适当地参考其他领域的碳纤维复合材料技术研究成果,将有助于促进碳纤维车架生产工艺的发展。
3)RTM系列技术发展成果的应用。近年来,RTM工艺广泛吸取其他成型工艺的特点,发展成为RTM系列,常用的有真空辅助RTM(VARTM)、Seemann复合材料树脂浸渍模塑成型工艺(SCRIMP)、树脂膜渗透成型工艺(RFI)等,Trek公司的OCLV核心技术就是在VARTM基础上发展起来的。RTM技术目前仍处于不断发展中,随着RTM设备、树脂和模具技术的日趋完善,碳纤维车架的整体制造水平将会有显著的提高。
4)不同材料的结合使用。由于山地自行车架的不同部位对材料的力学性能要求不尽相同,若能针对不同材料的特性物尽其用,将有助于充分发挥各种材料的优势,打造高性能的山地自行车架。目前应用于山地自行车架的碳纤维有很多种,如果将不同强度和模量的碳纤维结合使用,在需要高刚度的部位使用较多的高模量纤维,在需要高强度的部位使用较多的高强度纤维,无特殊要求的部位则尽可能使用普通的纤维,便可以在打造高性能、轻量化碳纤维车架的同时,有效降低生产成本。若能将碳纤维与诺梅克斯、凯芙拉和玻璃纤维等纤维材料以及铝合金、钛合金等金属材料相结合,则有可能制造出性能卓越的车架。
5)碳纤维山地自行车架的损伤修复。碳纤维车架的缺点之一是抗穿刺能力差,受到较大点冲击时容易报废,如果能对损伤处进行修复,便可有效提高碳纤维车架的使用寿命。目前,在航空航天领域已开展了较多关于纤维复合材料修复的研究,这些研究成果可以作为碳纤维山地自行车架损伤修复的研究基础。
总体来说,各种技术的发展将使碳纤维山地自行车架的生产工艺向着提高性能和降低成本的方向发展,使碳纤维运动自行车逐渐普及。随着国内相关扶持计划的推出,中国的碳纤维产业在3~5年内
将步入高速发展期,届时碳纤维原料价格的下降将直接反映在相关的自行车产品上。

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