碳纖維復(fù)合材料在自行車工業(yè)的運(yùn)用

在我們尚未探討主題之前，當(dāng)然要先介紹一下什麼是復(fù)合材料？什麼是碳纖維？簡(jiǎn)要的說(shuō)明復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性能不同的材料，以物理的方式結(jié)合在一起。其結(jié)合后的機(jī)械性質(zhì)會(huì)有卓越的表現(xiàn)，并較原來(lái)單一材料之性質(zhì)較為優(yōu)越，而其中以樹脂為基材的高分子復(fù)合材料則是目前應(yīng)用較為廣泛的復(fù)合材料。例如航太工業(yè)的要求首在輕、強(qiáng)。那麼纖維復(fù)合材料之特性即是"比鋁輕，比鋼強(qiáng)"，為此，纖維復(fù)合材料被廣泛的運(yùn)用在航太工程中。

那麼碳纖維又是什麼呢？在材料學(xué)上來(lái)說(shuō)，任何一種材料，像高分子的金屬、或陶瓷材料，製作成為直徑與長(zhǎng)度的比例在1：1000 以上之形狀時(shí)，稱之為纖維材料。簡(jiǎn)單的說(shuō)它就像你我身上穿的衣料一樣，只是材質(zhì)不同而已。碳纖維是含碳量高於90%的纖維的總體。碳纖維既具有元素碳的各種優(yōu)良性能，如比重小、耐熱、耐衝擊，耐化學(xué)腐蝕和導(dǎo)電等，又有纖維的可繞性和優(yōu)異的力學(xué)性能。 特別是它的比強(qiáng)度和比模量高，在絕氧條件下，可耐2000℃的高溫，是一種重要的工業(yè)用纖維材料，適用于作增強(qiáng)復(fù)合材料、燒蝕材料和絕熱材料。

碳纖維的分類：

碳纖維一般可按力學(xué)性能和製造原材料來(lái)進(jìn)行分類。

按力學(xué)性能一般可分為：

(a) 超高模量（UHM）碳纖維如： LOOK KG 585、 KG 481SL、TREK OCLV 55 "MADONE SSL"、TREK OCLV 110 "LIVESTRONG 6"

(b) 高模量（HM）碳纖維如：LOOK KG 486、 KG 386i、TREK "MADONE 5.2" "PILOT 5.2"

(c) 超高強(qiáng)度（UHS）碳纖維如：LOOK KG 461

(d) 高強(qiáng)度（HS）碳纖維。

按原材料可分為：

聚丙烯腈（PAN）碳纖維、瀝青碳纖維和人造絲碳纖維。目前結(jié)構(gòu)材料中大多數(shù)使用PAN碳纖維。

那麼碳纖維的性質(zhì)又是如何？

PAN碳纖維及其復(fù)合材料具有以下特徵。其中括弧內(nèi)為碳纖維的纖維軸方向的特徵。
（1）與金屬相比，密度?。?.7-2.0g/cm3），質(zhì)輕；

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（2）模量高（200-650GPa），高剛性；
（3）強(qiáng)度高（3-7GPa）；
（4）疲勞強(qiáng)度高；
（5）耐磨耗性、潤(rùn)滑性優(yōu)良；
（6）振動(dòng)衰減性優(yōu)良；
（7）熱膨脹係數(shù)?。?～-1.1×106K-1），尺寸穩(wěn)定性好；
（8）具有導(dǎo)熱性（10-160Wm-1K-1）；
（9）在惰性氣體中耐熱性優(yōu)良；
（10）具有導(dǎo)電性（17-5uΩ·m）；
（11）具有電磁波遮罩性；
（12）X射線透過(guò)性優(yōu)良；
（13）屬多種導(dǎo)性材料，針對(duì)其目的可設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體。

因此，像高分子的碳纖維(Carbon Fiber)可作用為釣魚桿、高爾夫球頭、自行車車架、自行車零件或用於飛航器材。 又如高分子克拉纖維材料，如用作防彈衣的 Kevlar 克拉纖維；又有如金屬纖維材料，如電磁屏蔽用的不銹鋼纖維；又有如陶瓷纖維材料，用於電子資訊之光纖。這些高科技又精密的尖端纖維材料，經(jīng)過(guò)高層次的加工，作成二次元或三次元結(jié)構(gòu)的纖維復(fù)合材料，就能造就更多更重要的領(lǐng)域與用途。如在：交通運(yùn)輸方面、醫(yī)用材料方面、建筑營(yíng)造、及運(yùn)動(dòng)休閒、航空太空方面等。這些用途藉由高分子纖維復(fù)合材料創(chuàng)造了人們的新生活領(lǐng)域、開拓了新的視野、帶來(lái)了生活的方便性?；緛?lái)說(shuō)高分子纖維復(fù)合材料是目前當(dāng)紅科技產(chǎn)物，其運(yùn)用之廣泛在您我日常生活當(dāng)中已經(jīng)變?yōu)椴豢苫蛉薄?

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說(shuō)了一大堆的專業(yè)名詞，實(shí)在很難想像到底是要如何將纖維這麼軟的原料變成硬梆梆的產(chǎn)品。現(xiàn)在我們將更深入的探討其加工過(guò)程及製作方式，這樣一來(lái)就更了解碳纖維是如何做成自行車零件了。

一般來(lái)說(shuō)碳纖維用在自行車工業(yè)上有兩種不同的製作方式， 一種是纏繞成型， 一種是熱壓成型。接下來(lái)我們將就這兩種不同的加工方式逐一探討。纏繞成型技術(shù)可算是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中發(fā)展最早也最為成熟的一種加工法。也可稱為捲壓成型，這就是做自行車車架管材的方法，舉凡圓管、方管、三角管等等之管類皆可製做。(但是變形量太大之管材如S型或是T型，因脫模技術(shù)受限必需以熱壓成型才可製作。)

纏繞成型法是將含浸過(guò)樹脂的連續(xù)纖維砂束(Roving)，按預(yù)先設(shè)定的路徑(角度)，使得纖維束在設(shè)定的纏繞角度下，快速而準(zhǔn)確的依序并排在心軸(Mandrel)或模具(Mold)上直至覆蓋整個(gè)心軸，而達(dá)到設(shè)計(jì)所需的厚度后，再經(jīng)樹脂硬化(Curing)，脫模等程序而得到成品。 copyright 123456

另外 一種是熱壓成型：它有分實(shí)心及空心兩種做法，它的製程和纏繞成型大致相同，只是它的空心心軸被吹袋取代，而改取氣壓成型。這種成型的過(guò)程適合許多異型物件，或變形量大的物件，或是大型的物件，基本上這就是類似雞蛋糕的製作方法。原則上兩種不同的製作過(guò)程產(chǎn)生的產(chǎn)品必須是比原單一材料之機(jī)械性能更加良好，對(duì)於耐疲勞及抗衝擊能力的提升有著顯著的效果才算是成功的替代材質(zhì)。其實(shí)復(fù)合材料的研發(fā)早在1940年代就已經(jīng)成型了，它的主要目的是要取代木材成為其替代品(因?yàn)榄h(huán)境保護(hù)的關(guān)係 不鼓勵(lì)濫墾濫伐) 當(dāng)時(shí)還是以玻纖/高分子復(fù)材為主，到了1960年代碳纖／高分子復(fù)材才逐步取代木材及合金，成為游艇、汽車、航太等的必備材料，近年來(lái)由於地球溫暖化的問(wèn)題，森林的保護(hù)成為全球課題，高分子復(fù)合材料取代木材將更為徹底的被執(zhí)行，因此復(fù)合材料的發(fā)展特徵就是取代既有植物和礦物的加工製品，并展現(xiàn)出更優(yōu)異的化性和物性。但是科技永遠(yuǎn)只是科技，它雖然取代了木材及合金，但卻新製造了一個(gè)環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題。因?yàn)樵S多高分子復(fù)合材料像碳纖維,克拉纖維等等皆是千年不朽萬(wàn)年不腐的。各位可以想像一下我們的地球是否可以容納這麼多的科技垃圾，以及我們的子子孫孫們會(huì)怎樣來(lái)為這當(dāng)紅科技收拾其帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)以目前的科技尚無(wú)法有效的解決塑膠材料帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題，更何況目前高分子復(fù)合材料尚未被環(huán)保人士抬上桌面去討論及大聲疾呼的禁止。

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其實(shí)不只玻璃纖維，碳纖維，和克拉纖維皆是有害環(huán)保的。1967年的硼纖維及1980年代的PEEK纖維(對(duì)不起喔我也沒(méi)看過(guò)這玩意兒)皆是對(duì)環(huán)境有傷害的。從最近一項(xiàng)研究資料顯示全球一年生產(chǎn)的高分子復(fù)合材料約在550 – 600萬(wàn)公噸?，F(xiàn)在知道可怕了吧！

說(shuō)了這麼多，還是回到我們的主題吧！現(xiàn)在我要介紹一些圖片讓大家更了解碳纖維復(fù)合材料是如何製作各種自行車零件的。

step1 裁剪碳纖維材料


step2 碳纖維材料組合及入模熱壓 (就是這個(gè)工藝把碳纖維成型變硬)


step3-1 碳纖維成型后去除毛邊


step3-2 去除毛邊后補(bǔ)土修飾


step4 涂裝


step5 組裝座管成品


step6 車架后上叉及下叉上膠


step7 切除多餘長(zhǎng)度


step8 車架品檢


step9 車架膠合后檢驗(yàn)


制品標(biāo)準(zhǔn)體系

這也是我最常遇到的問(wèn)題，到底是用纏繞成型法的碳纖維管加接頭(lug)的碳纖維車架好呢？

還是以熱壓成型的碳纖維車架(一體成型車架)好呢？

我們可以從下列角度去思考:

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1)車架舒適度 ( Comfort 也可比喻成吸震度 )
2)車架堅(jiān)硬度 ( Stiffness )
3)車架反應(yīng)度 ( Responsiveness )
4)車架操控性 ( Handling )
5)車架穩(wěn)定性 ( Stability )
6)車架力量傳導(dǎo)度 ( Power transmission )

下列是這兩種車架的比較表
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碳鮮維材質(zhì)(非一體成型車架即接頭式)　　 級(jí)數(shù) 　　　　適合騎乘距離
車架舒適度　　　　　　　　　　　　 　　*** 　　　　　中程距離以下
車架堅(jiān)硬度 　　　　　　　　　　　　　　****** 　　　　中長(zhǎng)程距離
車架反應(yīng)度 　　　　　　　　　　　　　　***** 　　　　　全距離
車架操控性 　　　　　　　　　　　　　　**** 　　　　　　全距離
車架穩(wěn)定性　　　　　　　　　　　　　　 ***** 　　　　　全距離 123456
車架力量傳導(dǎo)度　　　　　　　　　　　　 ***** 　　　　　全距離(短距離特佳)

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碳纖維材質(zhì)(一體成型車架) 　　　　　　級(jí)數(shù) 　　　　　適合騎乘距離
車架舒適度 　　　　　　　　　　　　　***** 　　　　　全距離
車架堅(jiān)硬度 　　　　　　　　　　　　　***** 　　　　　全距離
車架反應(yīng)度 　　　　　　　　　　　　　***** 　　　　　全距離
車架操控性 　　　　　　　　　　　　　****** 　　　　　全距離
車架穩(wěn)定性 　　　　　　　　　　　　　****** 　　　　　全距離
車架力量傳導(dǎo)度 　　　　　　　　　　　***** 　　　　　全距離

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 內(nèi)容來(lái)自123456

總之以舒適度、操控性及穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)一體成型車架評(píng)價(jià)很高，難怪藍(lán)斯-阿姆斯壯會(huì)舍去其他品牌，唯獨(dú)鐘愛Trek的OCLV科技產(chǎn)品了。也更難怪近幾屆奧運(yùn)場(chǎng)地賽金牌皆是碳纖維一體成型車架的天下。另外值得一提的是碳纖維材質(zhì)吸震的能量不僅是用在自行車車架而已，目前當(dāng)紅的F1方程式賽車及2005年最新推出Mercedes-Benz SLR McLaren轎跑車的車頭結(jié)構(gòu)，即配備了二根長(zhǎng)620公釐，以碳纖維制成的縱梁。在迎面撞擊時(shí)，這些縱樑能吸收全部的碰撞能量，大部分的乘坐空間不會(huì)被損壞。

希望借由以上的說(shuō)明能讓個(gè)位更了解碳纖維車架的優(yōu)點(diǎn)，及更了解到如何用您有限的力量透過(guò)碳纖維材料的優(yōu)點(diǎn)延伸出無(wú)限的速度。

另外2005年度最佳設(shè)計(jì) – 組合式碳纖維車架 A REAL MASTER PIECE也順便介紹一下不愧是義大利人的設(shè)計(jì) ，有工匠氣息又有前衛(wèi)感覺(jué)， 這也是我看過(guò)一體成型車架最好的設(shè)計(jì)了。它綜合了纏繞成型及熱壓成型的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，不但輕、強(qiáng)，又有好的吸震效果。 內(nèi)容來(lái)自123456

如果能在走線的方面補(bǔ)強(qiáng)用內(nèi)線 ，那么這臺(tái)車將是自行車歷史上經(jīng)典車款 。畢竟能把自行車做到放在歷史博物館展覽陳列的先鋒，也只有義大利人了。