周恒香 顧良娥 尚武林 張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車有限責(zé)任公司，江蘇連云港 222000）

1 碳纖維制備自行車

自1791年法國人西夫拉克發(fā)明第一架自行車雛形以來，不論時代怎么變遷，科技怎么發(fā)達(dá)，自行車始終與人們的生活息息相關(guān)。自行車自誕生之日起，其制造材料一直以金屬為主，從普通鋼到鉻鉬鋼、錳鉬鋼、不銹鋼等特殊鋼，再到鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕合金，材料每更新一次，其性能就前進(jìn)一步。到了20世紀(jì)80年代，以碳纖維為主的復(fù)合材料悄然在自行車行業(yè)興起，使傳統(tǒng)的自行車生產(chǎn)工藝走向高科技。中國大陸及臺灣地區(qū)作為碳纖維自行車的主要生產(chǎn)基地，采用高性能國產(chǎn)碳纖維，依靠科學(xué)的管理體系及突出的人口紅利，生產(chǎn)出了高性價比的國產(chǎn)碳纖維自行車，使得以前專業(yè)車手及高端人群才能消費起的高端碳纖維自行車逐步進(jìn)入了尋常百姓家，并逐漸成為人們運動休閑、健康環(huán)保新生活的好伙伴。

碳纖維既具有類似石墨結(jié)構(gòu)的低密度、高比強度、高比模量、耐高溫、抗蠕變、耐化學(xué)腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)和低膨脹系數(shù)等優(yōu)點，又具有纖維材料的柔軟可編織性及取向性好的特點，所以利用碳纖維作為增強體的復(fù)合材料已廣泛用于航空、航天、國防軍工、建筑、機械、電子、文體、醫(yī)療和生物工程等眾多領(lǐng)域。采用碳纖維復(fù)合材料制造的自行車具有很多特點[1]：

1.1 有效地降低自行車的重量

碳纖維復(fù)合材料的密度通常為1.6g/cm3，是鋼的1/5，比鋁合金還減重40%，非常適合制造輕克重的自行車，據(jù)說世界上最輕的碳纖維自行車只有1.25kg，能顯著提高騎行的輕便性。

1.2 明顯提高自行車整體的剛性

剛性好的車架有利于驅(qū)動力的轉(zhuǎn)換，提高操縱性能。碳纖維復(fù)合材料自行車結(jié)構(gòu)堅固，不易變形。登坡時順利而爽快，不會像一些輕的鋁合金車架，登坡時感到有一種向后拉的力量。

1.3 顯著改善了自行車的抗震性

結(jié)構(gòu)的自振頻率除了與結(jié)構(gòu)有關(guān)外，與材料比模量的平方根成正比，高的自振頻率避免了工作狀態(tài)下共振引起的早期破損。對形狀與尺寸相同的梁的試驗表明，輕合金梁需要9s才能停止振動，碳纖維復(fù)合材料只需要2.5s。復(fù)合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸，改善了山地車手的騎乘舒適性。

1.4 安全性好

碳纖維復(fù)合材料車架耐疲勞試驗可達(dá)100萬次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歐盟標(biāo)準(zhǔn)。碳纖維復(fù)合材料中基體是以連續(xù)相形式包圍著大量獨立存在的纖維，這種由多相組成的材料在受到?jīng)_撞時，即使有少量的纖維斷裂，其載荷會迅速重新分配到未被破壞的纖維上，使結(jié)構(gòu)還能承載，同時產(chǎn)生裂紋而被早期發(fā)現(xiàn)，而不會像一般金屬車架的斷裂都是突發(fā)的、沒有征兆的。因此，大大提高了騎乘的安全性。

1.5 良好的耐銹蝕性

高分子材料耐酸，堿、工業(yè)大氣性能良好，因此，使碳纖維樹脂基復(fù)合材料制成的自行車零部件有無可置疑的耐環(huán)境性能。

1.6 增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度

碳纖維復(fù)合材料的最大特點是各向異性，利用這一特點可按自行車運動時所受載荷的方向與大小排列和鋪放纖維。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性及材料性能的優(yōu)越性，還促使采用碳纖維復(fù)合材料能制造出各種傳統(tǒng)金屬材料無法完成的造型，挑戰(zhàn)自行車的傳統(tǒng)造型。

2 國產(chǎn)碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀

我國是碳纖維消費大國，長期以來碳纖維大量依賴進(jìn)口，由于受到國外技術(shù)封鎖，國產(chǎn)碳纖維的生產(chǎn)裝備及制備技術(shù)與國外有一定的差異，近幾年國家出臺一系列政策，加快了碳纖維產(chǎn)業(yè)自主研發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)程。目前，國產(chǎn)碳纖維主要性能指標(biāo)已經(jīng)完全達(dá)到東麗T300的水平，以中復(fù)神鷹公司為例，其已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)的SYT45碳纖維已達(dá)到東麗T700的水平，民用和工業(yè)使用的碳纖維正逐步被國產(chǎn)化。國產(chǎn)碳纖維從T300水平發(fā)展到T700水平，纖維的質(zhì)量得到了顯著的提升，由于T700與T300屬于同一模量級別，但是拉伸強度得到大幅度提升，T700及同等級別的國產(chǎn)碳纖維將逐漸成為未來市場應(yīng)用的主體。從碳纖維到復(fù)合材料60%-70%都要經(jīng)過制備預(yù)浸料這一過程，因此要求國產(chǎn)碳纖維有基本相同的連續(xù)長度，而且長度應(yīng)盡可能長，毛絲少、無毛團，纖維束不能有劈絲，收卷的纖維能展平到一定寬度，纖維不能有捻。雖然21世紀(jì)以來，國產(chǎn)碳纖維得到前所未有的發(fā)展，但是在提供用戶使用時，仍需注意以下幾點：力學(xué)性能是基礎(chǔ)，性能穩(wěn)定性是關(guān)鍵，工藝性能是規(guī)?；褂玫那疤?，可接受的價格是擴大應(yīng)用的條件[2]。

3 國產(chǎn)碳纖維制備自行車架工藝討論及應(yīng)用

3.1 車架成型工藝的討論

碳纖維自行車車架的制造涉及到連續(xù)性纖維預(yù)浸料的制備、預(yù)浸料的裁剪、卷料，成型及后續(xù)整理等工藝，工藝集成度高，技術(shù)密集性強，任意環(huán)節(jié)的疏忽都會對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。其中，碳纖維自行車架的成型工藝是整個工藝流程中最關(guān)鍵的部分，車架成型的情況直接決定了最終整車的內(nèi)在質(zhì)量，也是整車減重及生產(chǎn)質(zhì)量管理體系中的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，碳纖維自行車架的成型工藝主要是采用以預(yù)浸料為基礎(chǔ)的氣囊成型法（加壓袋壓法），將預(yù)型為車架形狀的預(yù)浸料卷制粗坯放置于上下金屬對模的模腔中，粗坯中間穿有耐高溫的尼龍袋，然后將對模放置于加熱加壓的爐臺中使上下對模合緊受熱，并在尼龍袋內(nèi)充高壓氣體使粗坯型腔飽滿而緊貼對模內(nèi)腔，最終預(yù)浸料卷制粗坯中的樹脂由于受熱而固化賦予了車架堅固的形狀，經(jīng)脫模而完成碳纖維車架的成型過程。

碳纖維自行車架成型工藝根據(jù)粗坯置入對模時模具的溫度不同可以分為“冷模工藝”和“熱模工藝”。冷模工藝的起始模具溫度較低，通常模溫稍高于室溫即可，既可以使料坯微熱便于入模，又可以防止模具表面凝水。冷模工藝由于起始模溫較低，所以樹脂需要較長時間才能固化，效率較低，但成型質(zhì)量較好，適合對外觀要求較高的車架。熱模工藝的起始模具溫度較高，一般高于100℃，能使樹脂快速固化，但是較快速的固化速度會造成車架內(nèi)部應(yīng)力較大、外觀不如冷模好，因此適合成型一般碳制品車架，效率較高，有助于降低能耗。

針對碳纖維車架成型的氣囊成型法，其溫度、時間及氣壓間的關(guān)系非常重要，將直接影響到制品的樹脂含量、分布、剛性、抗沖擊性、耐疲勞性及外觀質(zhì)量。由于預(yù)浸料在卷制等過程中不可避免的在復(fù)合材料中引入了空氣、水等易揮發(fā)物質(zhì)，因此在成型時需要借助氣囊擠出一定的樹脂，將復(fù)合材料中的氣體帶出，賦予復(fù)合材料高致密性及高纖維含量，也是碳纖維車架高剛性的必要保證；同時還不能擠出太多的樹脂，否則容易造成復(fù)合材料中纖維沒有足夠的樹脂粘結(jié)而產(chǎn)生分層等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致成型產(chǎn)品的報廢。假如在成型時沒有樹脂流失將造成樹脂含量及復(fù)合材料內(nèi)部有孔洞，導(dǎo)致車架剛性不足及力學(xué)性能下降。而樹脂的流失量與氣囊成型法的溫度、時間及氣壓設(shè)置緊密相連，是成型質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。

圖1 環(huán)氧樹脂固化過程的狀態(tài)示意圖

在討論氣囊成型法之前，要首先討論預(yù)浸料用熱固性環(huán)氧樹脂各個固化過程的狀態(tài)，如圖1所示環(huán)氧樹脂在固化過程中需要經(jīng)歷4個狀態(tài)，分別是高粘態(tài)、粘流態(tài)、凝膠態(tài)及玻璃態(tài)[3]。預(yù)浸料在被加熱至一定溫度之前，樹脂不具有流動性，粘度受溫度的主導(dǎo)。當(dāng)隨著溫度的升高，樹脂開始變得越來越容易流動，此時化學(xué)反應(yīng)仍較緩慢，粘度受溫度的主導(dǎo)。當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值，粘度開始迅速上升，化學(xué)反應(yīng)明顯加速，此時粘度受化學(xué)反應(yīng)程度的主導(dǎo)，樹脂基體很快從粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，這個過度階段被稱為凝膠態(tài)，凝膠態(tài)的時間非常短，從幾分鐘到幾十秒不等。

圖2 氣囊成型法三段加壓示意圖

如圖2所示為氣囊成型法時常采用的三段加壓示意圖，階段①賦予氣囊較小的氣壓，首先撐起氣囊，此時預(yù)浸料粗坯緩慢受熱，樹脂粘度仍較大，較小的氣壓有助于減少粗坯的褶皺；階段②賦予氣囊中等的氣壓，此時樹脂粘度較低，比較容易流動，中等的氣壓有助于緩慢排除樹脂中的氣體，同時還不至于排除過量的樹脂；階段③賦予氣囊較高的氣壓，進(jìn)一步擠出樹脂中的氣泡，同時賦予碳纖維復(fù)合材料較高的致密性及剛性。

針對碳纖維自行車架成型時樹脂流失量的控制，關(guān)鍵是如何把握好圖1和圖2所示的固化過程狀態(tài)及三段加壓的內(nèi)在聯(lián)系，即需要首先知道特定成型工藝條件下的樹脂狀態(tài)變化過程，確定大概的凝膠時間點及對應(yīng)溫度，然后根據(jù)樹脂的狀態(tài)變化及凝膠點設(shè)定各階段氣壓的大小及時間范圍。比如樹脂的最低粘度較低，則應(yīng)適當(dāng)延長及降低①②階段的時間及氣壓；樹脂的最低粘度較高，則應(yīng)適當(dāng)縮短及提高①②階段的時間及氣壓，最終使樹脂流失量穩(wěn)定在一個可控的范圍內(nèi)。

3.2 車架成型工藝的應(yīng)用

圖3 冷模工藝及熱模工藝時模具的實際升溫曲線

如圖3所示分別為冷模工藝及熱模工藝時模具的實際升溫曲線，根據(jù)實際升溫曲線，可以分別擬合出2種工藝下的近似升溫過程。冷模工藝近似升溫過程：從室溫開始5℃/min升溫至90℃，其后2.5℃/min升溫至100℃，2℃/min升溫至110℃，再1.5℃/min升溫至120℃，最后1℃/min升溫至最高溫度并恒溫。熱模工藝近似升溫過程：從120℃開始2.5℃/min升溫至最高溫并恒溫。根據(jù)擬合的升溫曲線，可以在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行模擬升溫固化樹脂基體，并定性判斷樹脂的固化狀態(tài)過程，從而確定圖1所示的環(huán)氧樹脂固化過程的狀態(tài)時間點。根據(jù)已經(jīng)確定的實際固化過程狀態(tài)時間點來設(shè)置圖2所示的三段加壓時間點，并根據(jù)車架成型中樹脂從模具中流出的情況來設(shè)置氣囊壓力的大小，從而最終制定出適合實際成型狀況的工藝參數(shù)。

4 結(jié)論

由于國外對國內(nèi)碳纖維關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的封鎖，國產(chǎn)碳纖維規(guī)?；瘧?yīng)用的時間較短，配套應(yīng)用開發(fā)較薄弱，導(dǎo)致市場上流通的樹脂體系大多是針對東麗等知名廠商碳纖維而開發(fā)，與國產(chǎn)碳纖維性能及工藝性不能完全地匹配，因此就要因地制宜有針對性地選擇或自主研發(fā)環(huán)氧樹脂體系，或?qū)Τ尚凸に噮?shù)進(jìn)行優(yōu)化，使樹脂基體和國產(chǎn)碳纖維更加良好地匹配，以期發(fā)揮出更加優(yōu)越的性能。本文針對碳纖維自行車架成型工藝進(jìn)行了深層次探討及應(yīng)用舉例，給出了如何從工藝角度解決現(xiàn)有市場上流通樹脂與國產(chǎn)碳纖維不匹配的問題，將對自主研發(fā)樹脂體系及提高國內(nèi)碳制品成型的工藝水平起到推動作用；解決了在實際應(yīng)用中遇到新問題時根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗沒有很好的解決辦法或調(diào)整工藝參數(shù)時總是畏首畏尾的問題。

[1] 王 斌，許宜賀，隋玉堂. 碳纖維山地自行車架生產(chǎn)工藝的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 新技術(shù)新工藝.2011(5):67-70.

[2] 張鳳翻. 國產(chǎn)碳纖維規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用值得注意的幾個問題[J]. 高科技纖維與應(yīng)用.2005,30(6):1-6.

[3] 何平笙. 熱固性樹脂的3T固化狀態(tài)圖[J]. 粘合劑.1987(1):26-28.