自 20 世纪 7 0 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 1 .6g/ 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 9 s 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 JI S
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1984 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, 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
    Can no nd ale 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 万元币。除了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、 R T M 成型、 三维编织成型、 热压罐成型等工艺方法, 其中以 RT M 成型工艺为适合碳纤维自行车架的制造。
    RT M ( R e s in T r a n s fer M oldin g) 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RT M 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 1 K 、 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 1 2K 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, 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( M ono c oq ue) 成型工艺, 提升了车架的整体性能。 [-page-]
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 T r ek 公司应用其 O CL V 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, 从而使车架具有了大的强度 质量比; 在车架碳纤维结构部段连接方面, T r e k 公司采用阶梯式连接法( ST EP JO I N T ) , 保持了管壁厚度的一致性与连贯性( 如图 2 所示) 。

以生产高品质钛合金车架而闻 名的 T it u s Bi c y c les 公司, 成功引进 V yat e k 运动科技公司的技术, 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 I s oGr i d 和Ex oG r id 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4 所示) , 强度
质量比更高, 制成的车架具有较好的骑乘舒适性。

    美国犹他州杨百翰大学( Br ig ham Y o un g U ni v e r s it y) 研究开发的 I s oT r us s 管材是由多个三角形重叠形成的束状复合对称辐射的金字塔群, 这种结构的各个平面具有独立的方向性, 独特的设计赋予了这种结构比一般实心管材结构更好的性能。美国Delt a 7 S por ts 公司 在 2008 年 3 月推 出的山地 车A r ant ix 中采用 I soT r u ss 技术, 将碳纤 维和凯芙拉纤维混合缠绕制成的网状管材用于山地车架,
这种特殊的镂空车架结构可以将损伤限制在单个网格中, 较传统碳纤维车架具有更强的抗穿刺能力和更小的风阻( 如图 5 所示) 。

西班牙 O r b e a 公 司在其设计的碳 纤维山地 车架 A L M A 采用独特的 后叉结构, 将后上叉与 后下叉成型为一个整体, 减少了车架连接点, 在保证强度的同时, 也提高了后叉的刚度( 如图 6 所示) 。在后避振车架 O I Z Car b on 的设计中, O r b ea 公司的研究人员用一片特殊成型的碳纤维板取代了传统的后下叉避振转点系统, 并将避振器置于座管后方( 如图 7所示) , 此系统的避振行程可以达到 8 5 mm, 在实现轻量化的同时, 简化了转轴结构, 加大了刚度, 降低了维护保养的难度。由于在山地速降( DH , D ow n H ill) 等以高速下坡为主的骑行方式中, 车架轻量化的意义不大, 而受到撞击的可能性又比较大, 因此相对来说, 抗冲击性能较弱又较昂贵的碳纤维车架, 还未被广泛应用于DH 等激烈骑行方式的训练和比赛中, 仅在业余娱乐中有一些碳纤维速降整车出现, 如 G T 的 F ur y 和S A N T A CRU Z 的 V 10 Ca r b on 等。在国内, Giant 和 M er ida 两大台湾厂商也都推出了自己的碳纤维产品。Giant 公司将铝合金的刚度与碳纤维良好的吸振功能相互结合, 推出了 A lli ance 碳铝复合车架, 在质 量、 刚度与骑 乘舒适度三者间达到了较好的平衡。M e r id a 公司则在 Car b onF LX 系列山地车架中采用了纳米碳纤维技术, 将直径仅为 0. 7 n m 的 C6 0 分 子渗透到高模 量碳纤维中, 使车架的抗冲击能力和强度分别提高了约 40%和 20 % 。内地的碳纤维车架制 造业在近 2 年也取得了较大的进展, 福建华兴碳纤维复材科技有限公司的 WI N SP A CE、 深圳喜得盛 自行车有 限公司的 X DS 和浙江力霸皇集团代工的 T RI A CE 等碳纤维自行车品牌均已达到了国际标准。

3.碳纤维车架存在的问题 [-page-] 
    在碳纤维山地车架不断发展, 各种创新技术不断应用的同时, 也存在着一些问题。先是抗冲击方面的问题。由于碳纤维车架本身抵抗点冲击( 抗穿刺) 的能力较弱, 加上竞技车架追求轻量化的设计, 导致有的碳纤维车架管材过薄,在承受非正常载荷时失效。国内比赛曾有过碳纤维车架上管被高 速转动的前轮带起的石 子击穿的实例。
    其次是碳纤维接头的强度问题。为了获得特殊的性能, 有些车架会采用几种不同的材料或工艺制造, 不同部段的连接点往往就会成为薄弱环节。例如, Delt a 7 公司的 A r an t i x 山地车架就曾出现头管接头断裂的现象, 尽管研发团队重新进行了补强设计, 但该事件仍导致了该款车架的大幅降价。
4 .发展趋势与展望
    随着设计、 试验和制造技术的进步, 碳纤维山地车架的生产工艺有望在以下方面取得进展。
1) 先进分析和试验方法在车架设计中的应用。
    目前, 碳纤维车架的强度设计主要依靠工程技术人员的反复尝试和试验, 较少采用有限元等数值分析方法。随着软件技术的发展, 计算机模拟分析与试车手试验反馈相结合的方法有望在碳纤维车架强度设计中得到广泛应用。在车架空气动 力学设计方面, 风洞试验将有可能被广泛采用, 以求获得更精确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 I s oT r us s 网状结构、 N a n ot ec h no logy 纳米 碳技术以及 V yat e k 公 司的 I s oGr i d 、 Ex oG r id 和 Bi F u sion 等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) RT M 系列技术发展成果的应用。近年来,
     RT M 工艺广泛吸取其他成型工艺 的特点, 发 展成为 RT M 系 列, 常 用 的 有 真 空 辅 助 RT M ( V A R T M ) 、 S ee m a n n 复 合材 料树 脂浸 渍模塑 成 型工 艺( S CR I M P ) 、 树脂膜渗透成型工艺( RF I ) 等, T r e k 公司的 O CL V 核心技术就是在 V A RT M 基础上发展起来的。RT M 技术目 前仍处于不断 发展中, 随着RT M 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, 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。