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    碳纤维自行车的成型工艺探讨及应用

    发布时间:2017-08-11

    点击量:917 次




     自行车是问世以来,不管时代如何发展,自行车始终和人们的生活息息相关。之前制造材料一直以金属为主,从普通钢到铬钼钢、锰钼钢、不锈钢等特殊钢,再到铝合金、镁合金、钛合金等轻合金,材料每更新一次,其性能就更卓越。到了80年代,以碳纤维为主的复合材料悄然在自行车行业兴起,使传统的自行车生产工艺走向高科技。中国大陆及台湾地区作为碳纤维自行车的主要生产基地,英特力新材料公司采用高性能国产碳纤维,依靠科学的管理体系及突出的人口红利,生产出了高性价比的国产碳纤维自行车,使得以前专业车手及高端人群才能消费起的碳纤维自行车逐步进入了寻常百姓家,并逐渐成为人们运动休闲、健康环保新生活的好伙伴。

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      碳纤维既具有类似石墨结构的低密度、高比强度、高比模量、耐高温、抗蠕变、耐化学腐蚀、低电阻、高热导和低膨胀系数等优点,又具有纤维材料的柔软可编织性及取向性好的特点,所以利用碳纤维作为增强体的复合材料已广泛用于航空、航天、国防军工、建筑、机械、电子、文体、医疗和生物工程等众多领域。采用碳纤维复合材料制造的自行车具有以下特点:

      1、有效地降低自行车的重量

      碳纤维复合材料的密度通常为1.6g/cm3,是钢的1/5,比铝合金还减重40%,非常适合制造轻克重的自行车,据说世界上最轻的碳纤维自行车只有1.25kg,能显著提高骑行的轻便性。

      2、明显提高自行车整体的刚性

      刚性好的车架有利于驱动力的转换,提高操纵性能。

      3、显著改善了自行车的抗震性

      结构的自振频率除了与结构有关外,与材料比模量的平方根成正比,高的自振频率避免了工作状态下共振引起的早期破损。对形状与尺寸相同的梁的实验表明,轻合金梁需要9s才能停止振动,碳纤维复合材料只需要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。

      4、安全性好

      碳纤维复合材料车架耐疲劳试验可达100万次以上,远远超过欧盟标准。碳纤维复合材料中基体是以连续相形式包围着大量独立存在的纤维,这种由多相组成的材料在受到冲撞时,即使有少量的纤维断裂,其载荷会迅速重新分配到未被破坏的纤维上,使结构还能承载,同时产生裂纹而被早期发现,而不会像一般金属车架的断裂都是突发的、没有征兆的,因此大大提高了骑乘的安全性。

      5、良好的耐锈蚀性

      高分子材料的耐酸、碱、工业大气性能良好。因此使碳纤维树脂基复合材料制成的自行车零部件有无可置疑的耐环境性能。

      6、增加了结构设计的自由度

      碳纤维复合材料的最大特点是各向异性,利用这一特点可按自行车运动时所受载荷的方向与大小排列和铺放纤维。复合材料结构设计的灵活性及材料性能的优越性,还促使用碳纤维复合材料能制造出各种传统金属材料无法完成的造型,挑战自行车的传统造型。

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      我国是碳纤维消费大国,长期以来碳纤维大量依赖进口,由于受到国外技术封锁,国产碳纤维的生产装备及制备技术与国外有一定的差异,近几年国家出台一系列政策,加快了碳纤维产业自主研发和规模生产进程。目前,国产碳纤维主要性能指标已经完全达到东丽T300的水平,国产碳纤维从T300水平发展到T700水平,纤维的质量得到了显著的提升,由于T700与T300属于同一模量级别,但是拉伸强度得到大幅度提升,T700及同等级别的国产碳纤维将逐渐成为未来市场应用的主体。从碳纤维到复合材料70%都要经过制备预浸料这一过程,因此要求国产碳纤维有基本相同的连续长度,而且长度应尽可能长,毛丝少、无毛团,纤维束不能有劈丝,收卷的纤维能展平到一定宽度,纤维不能有捻。虽然二十一世纪以来国产碳纤维得到前所未有的发展,但是在提供用户使用时,仍注意以下几点:力学性能是基础,性能稳定性是关键,工艺性能是规模化使用的前提,可接受的价格是扩大应用的条件。