碳纤维自行车发展前景展望

李逸冰，吕安琪，陈 喜

（山东省泰安第一中学，山东 泰安 271000）

关键词:碳纤维；复合材料；自行车

中图分类号: TQ327.3

文献标识码: A

文章编号: 1007-9815（2017）02-0027-05

Key words: carbon fiber; composite; bicycle

0 引言

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（表1）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。

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。

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抗疲劳性，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。

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。

碳纤维复合材料对一般的有机溶剂、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。

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最优排列和铺放，以达到自行车部件的最佳受力或载荷要求，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。

与金属材料自行车焊接成型并可进行自动化生产不同，碳纤维自行车特别是车架制作的工序复杂，而且现在大多还是需要手工操作，难以使用自动化设备，其制作工序一般为：工艺设计、应力计算、碳布织造、裁剪碳布、模具预型、固化成型、处理加工、表面涂装、整车组装等。其中，按照技术要求和指标设计好的碳纤维骨架与树脂基体，在一定压力和温度下的固化成型工艺在很大程度上决定着自行车构件的质量和性能。较常见的碳纤维复合材料成型技术主要有铺覆成型、树脂传递模塑、树脂注射成型、缠绕成型、织造成型、搓卷成型、喷射成型等多种工艺。

目前，碳纤维自行车制造技术发展非常快，车架预成型开始导入机械自动编织，可以实现控制强度、方向和角度的三维立体编织，编织出来的预成型车架平整度非常好，产品质量实现流水线上智能检测。

3 碳纤维自行车的兴起与发展

碳纤维的开发与利用可以追溯到1880年代，发明家Joseph Swan和Thomas Alva Edison将竹丝碳化用作炽热灯泡的灯丝，之后碳纤维多用来作高温绝缘材料，但当时的碳纤维力学性能很差。直到1950年代，美国军方研制出了具有良好力学性能的碳纤维，并于1960年代实现工业化生产，此后日本、英国、法国、德国等相继拥有了制造高质量碳纤维的技术，特别是日本东丽公司在碳纤维研发与生产技术方面一直保持着世界领先水平。碳纤维在自行车上的应用尝试是在1970年代，真正开始产品化是从1980年代开始。

国外碳纤维自行车研发的最早记载是在1974年，美国Apex Proto公司制造了碳纤维复合材料薄壁管粘合不锈钢接头自行车车架。两年之后，Exxon公司制造了石墨纤维和铝的复合材料Graftek G-1型车架。但当时因为商业上和技术上的问题没能得以推广应用。

1980年代初期，随着碳纤维价格的降低以及生产工艺的不断改进，碳纤维自行车始得以推广应用。1980年，法国TVT公司第一次真正将碳纤维复合材料车架商品化。1984年，在洛杉矶奥运会上，率先使用碳纤维自行车的美国自行车队一举夺魁，获得5 块金牌，这大大推动了碳纤维自行车研发与应用进程。1986年，法国Look公司利用TVT公司生产的碳纤维管体制造出具有实用意义的碳纤维自行车架，并于1988年制造出世界首批量产的碳纤维车架KG86。1989年的环法自行车比赛，美国选手格雷格˙勒蒙德（Greg Lemond）领先法国选手劳伦特˙菲农（Laurent Fignon）获得冠军，Greg Lemond在赛程的绝大部分路段中他都选用了TVT工厂生产的碳纤维复合材料车架的自行车。Greg Lemond的胜利使人们开始更加注重碳纤维自行车研发和造型设计，不断提高自行车的速度。1990年，日本宫田工业公司以碳纤维作车架推出ARC1000型跑车和RDC1000型平车两种型号自行车，这两种型号自行车的质量比铬钼钢架型自行车轻50%，强度高1.6 倍。1990年，Look公司制造出世界上第一台一体式碳纤维车架。1995年，Look公司又制造出世界上第一台全碳纤维车架（包括转向杆）。1980年代后期，法国CCI公司以及美国Trek、peugeot、Vitu、Raleigh等公司都在碳纤维自行车架的设计与制造方面有所突破。欧美等发达国家一直把控着碳纤维自行车零部件研发制造的关键工艺和核心技术。如今，一种由碳原子以sp2杂化连接成蜂窝状单原子层平面薄膜的二维碳材料—石墨烯正引领着碳纤维自行车向更新的方向发展。国际轮胎生产商意大利的Vittoria公司公布了由石墨烯增强复合材料制造的自行车竞赛车轮-Qurano系列，车轮性能提高了10%～30%；英国自行车厂商Dassi公司制造出了质量仅500 g的全世界第一辆含有石墨烯的车架Interceptor，车架的抗剪强度和抗断裂韧性分别提高了70%和50%。

在我国，台湾地区的自行车制造企业捷安特（Giant）与台湾材料研究室（MRL）从1985年开始积极投入碳纤维自行车的研究与设计，他们在不长的时间内就成功地开发出了一种新颖的碳纤维自行车架，铝合金压注接头胶接，并在1987年成立专门制造复合材质的C-TECH生产中心。1988年，捷安特公司开始批量生产联合开发的碳纤维自行车架，并组装整车上市，这使捷安特一举成为世界著名品牌，畅销美国、日本、澳大利亚和原欧洲共同体国家（现欧盟），年销量在1×10*6 辆以上，在全球碳纤维自行车市场占领60%份额。1993 年，联合开发出整体碳纤维自行车构架，使台湾自行车工业发展上了一个新台阶，台湾的自行车产业得到稳步发展，并成为世界自行车行业发展的主要领跑者之一。21世纪初，台湾的自行车生产量逐年减少，而且出口量也由1998年的9.93×10*6 辆减少至2003年的3.38×10*6 辆。2003年，台湾自行车A-Team联盟成立，将松散的生产厂商联合起来，整合技术优势、扩大生产规模，和与国际大企业相对抗，实现企业间的集群协同发展，台湾高端和休闲精品自行车的共同品牌形象在全球自行车行业中树立起来。

在大陆，1993年天津飞鸽自行车（集团）公司和北京环航复合材料公司联合投资开发了粘接型碳纤维自行车。同年底，深圳中华自行车公司自筹资金建厂生产自行车用碳纤维管，研制出可焊接碳纤维管自行车。21世纪初，大陆吸引了包括日本岛野公司在内的境外自行车厂商以及台湾本土多家自行车厂商投资办厂，江苏、广东、天津、山东等省市的一些企业适应市场变化，主动进行产品结构调整和转型升级，成为专注生产中高档碳纤维自行车的厂家，国内碳纤维自行车生产量快速增加，成为世界新的自行车主要供应基地。同时，世界一些最知名的自行车制造商纷纷前来中国开店，特别是捷安特和美利达

在大陆的销量势头强劲。连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司自2010年建立以来，一直专注生产碳纤维自行车车架和整车，现在年生产车架4×10*4～5×10*4 只/a，其中大多是OEM（Original Equipment Manufacturer，定点生产）产品，自用约20%～25%组装整车上市，其 “ZGL” 自主品牌得到消费者的广泛认可。从技术角度来说，我国碳纤维自行车工厂（包括台商独资及合资企业）的制造水平已经很高，许多国外品牌由国内工厂委托加工。但是，在零部件研发与制造等碳纤维自行车生产的关键工艺和核心技术方面，与发达国家相比还有一定的差距，零部件标准化程度相对较低、研发能力不足，产品基本处于中、低档次水平，而且同质化严重等问题明显。

4 碳纤维自行车展望

碳纤维自行车由于其质量轻、操纵性好、安全性高、舒适性好、抗逆性强、造型美观等诸多优点，革命性地改变了整个自行车业界，引领世界自行车的发展。不论是作为构成自行车最基本结构体的车架、有相当技术难度的轮组还是零部件，都将碳纤维材料作为高端产品的首选用料。在自行车竞技赛中，意大利的库内戈（Damiano Cunego）于2004年使用Cannondale公司推出的CAAD8拿下环意总冠军后，铝合金车架就很难出现在任何专业级的比赛中了。随着碳纤维材料成本的不断降低，碳纤维自行车部件制造工艺和技术的不断创新和发展，碳纤维自行车不仅在造型上更加简洁、轻盈、美观、多样化、个性化和人性化，其售价也不断降低，已经由数十万元一辆，发展到数千元一辆，达到大众接受的程度。

特别是石墨烯的加入，碳纤维复合材料的更轻的车架和轮组、更安全的轮圈刹车系统、更轻便的高性能电子变速系统将陆续问世。可以预测，碳纤维自行车具有广阔的市场，围绕碳纤维自行车的自行车文化将风靡世界，蔚为风气。

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