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碳纤维自行车的发展与展望(一)

来源:江苏优培德复合材料PK10开奖 发布时间:2017-09-25 09:34:06 浏览人次:864

自行车自问世以来,其制造材料从最初的木质材料,到普通碳素钢、铬相钢和铬锰钢,到钛合金、铝合金、镁合金、钪合金等轻合金材料,还有新型的碳纤维、玻璃纤维复合材料等非金属材料。自行车制造材料的革新,其力学结构、工艺造型、机械构造等也随着不断迭代,更推动着自行车性能提高和功能增加。当今,自行车已经从最初代步的交通工具,拓展为健身、竞赛器材以及休闲娱乐用品。特别是碳纤维在自行车制造中广泛的应用,给自行车产业带来全新的革命。

碳纤维自行车全称是碳纤维增强树脂复合材料自行车,其制造材料是碳纤维和树脂的结合物。碳纤维和树脂在复合材料中的作用不分伯仲,彼此缺一不可。如果将复合材料比作钢筋混凝土结构,碳纤维相当于承载负荷的钢筋,而树脂则相当于混凝土,起到结构成型、固定碳纤维和力的传递作用,对碳纤维自行车骑乘质量和车体性能起着决定性作用。

1 碳纤维自行车的特点

制造材料的物理特性和化学特性决定着自行车的性能。材料密度是决定自行车自身质量的重要因素;材料的抗拉强度、弹性模量、伸长率等会影响自行车的刚性、强度、骑乘感受以及外观等。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维自行车有着诸多优势。

1.1 质量轻、操纵性好

碳纤维复合材料的密度仅为钢的20%,铝的50%,理论上讲,碳纤维自行车比钢或铝金属材料自行车质量减轻30%,有效骑行力增加45%以上。最轻的碳纤维车架可以做到0.7 kg以内,竞技碳纤维自行车质量仅有7~8 kg,但铝合金车架质量很难低于1 kg,因此,碳纤维自行车有更好的机动性能和加速性能。

1.2 安全性高

碳纤维抗拉强度一般都在3 500 MPa以上,是钢的4 倍以上,可以承受极大的力学冲击;与金属材料相比,其具有很好的断裂韧性和良好的耐疲劳性,而且即使断裂也是从基质开始,具有可视性。这些都大大提高了自行车骑乘的安全性。

1。3 舒适性好

碳纤维弹性模量接近铝合金弹性模量的3倍,受力之后的弹性形变小,自振频率高,不易出现共振,良好的共振阻尼,提高了自行车的减震能力。碳纤维复合材料构件不易变形,且刚性高,力的传导性好,使得碳纤维车架踩起来更“硬”,使车手骑行更好“发力”、更省劲,有路感。

1.4 抗逆性强

碳纤维复合材料对一般的酸、碱都具有良好的耐腐蚀性,完全不存在生锈的问题。

当然,碳纤维径向的强度很小,碳纤维复合材料车架或零件抗尖锐物冲击能力较差。另外,作为复合材料基体的树脂受阳光直射易于老化。随着科技的进步,相信碳纤维自行车这些不足将会不断得到优化改进。

2 碳纤维自行车部件的制造工艺

碳纤维作为一种含碳量在90%以上的纤维状碳素材料,兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,鉴于此,碳纤维自行车制造工艺有以下特点。

2。1 造型和结构设计自由度大

从力学性能上讲,碳纤维轴向和径向的强度不一样,应力取向沿纤维轴方向有非常高的强度,而径向就很小。因此在制作自行车部件时,根据碳纤维的这一力学特点,利用叠层技术可以对碳纤维进行合理排列和铺放,以达到自行车部件的受力或载荷要求,特别是随着新型碳布的开发,在结构设计上几乎可以不受限制地进行优化。金属材料的自行车构件,合金的配方基本固定,其力学性能不会有大的变化,而且受焊接技术以及管件成型工艺的限制,在造型和结构的设计上受到很多限制。当然,在碳纤维复合材料轮圈在制造上仍存在诸多技术问题,还有许多需要攻克的技术难题。

(后续详见碳纤维自行车的发展与展望(二))

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