自行車材料的優(yōu)越程度要從材料的密度、強(qiáng)度、彈性模量和耐腐蝕等幾個(gè)方面綜合考慮。
鋼材作為自行車最久的材料,他擁有很好的彈性,成本較低,但由于密度大,易生銹,易疲勞。鋁合金是目前市場(chǎng)上使用普遍的材料,他的重量輕,不會(huì)生銹,但彈性太差,容易疲勞,騎行的舒適感不好。鎂合金的密度比鋁合金要小,基本性能和鋁合金差不多。鈦合金的耐疲勞性比其他金屬材料好,但價(jià)格高,比重卻沒有優(yōu)勢(shì)。而碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、彈性好、密度輕、耐腐蝕,由碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的自行車具有以下各方面的特點(diǎn):
1、有效降低了自行車的總重量
碳纖維樹脂基復(fù)合材料的密度一般只有1.6。只是鋼的五分之一,與鋁材相比,可以減重40%左右。自行車行業(yè)內(nèi)有這樣一種說(shuō)法,重量減輕1g,價(jià)格可提高1美元。一輛碳纖維復(fù)合材料自行車車架比鋁合金車架輕四分之一。重量輕可以降低體能損耗從而提高騎行速度。
2、車身的總體剛性高
剛度好的車架有利于驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換,提高了自行車的操縱性能。碳纖維復(fù)合材料自行車的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,不容易變形。實(shí)踐證明,其車架剛性不低于珞鉬鋼車架。
3、良好的抗震性
結(jié)構(gòu)的自振頻率不僅結(jié)構(gòu)外形有關(guān),還與材料的比模量平方成正比,高的自振頻率能夠避免了工作狀態(tài)下共振引起的早期破損。據(jù)報(bào)道,對(duì)形狀與尺寸相同的車架進(jìn)行試驗(yàn)表明,鋁合金車架需要9秒才能停止的振動(dòng),自振頻率極高的碳纖維復(fù)合材料只需要2.5秒就可以停止,復(fù)合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸,提高了乘騎的舒適性。
4、安全性好
碳纖維復(fù)合材料中的基體是以連續(xù)相形式包圍著獨(dú)立存在的碳纖維,構(gòu)成一種動(dòng)態(tài)不確定
體系,當(dāng)材料受到?jīng)_撞時(shí),當(dāng)其中少量纖維發(fā)生斷裂,載荷將會(huì)迅速重新分配到未斷裂的纖維上,這樣結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)承載,使騎乘的安全性大大提高了。一般金屬材料的疲勞破壞是很難觀察到明顯的征兆,其破壞往往是突發(fā)性破壞,而碳纖維復(fù)合材料車架具有非常好的抗疲勞性,而且破壞之前能夠觀察到明顯的征兆。研究表明,碳纖維復(fù)合材料車架耐沖撞試驗(yàn)可超過(guò)百萬(wàn)次。
5、增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度
碳纖維復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn),可以利用復(fù)合材料這一特點(diǎn),根據(jù)自行車在行駛時(shí)受載的方向和大小來(lái)排列和鋪放纖維。復(fù)合材料制造的靈活性,有利于設(shè)計(jì)出各種造型的結(jié)構(gòu)。如可按空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)出流線型自行車,美觀而實(shí)用,容易實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。
6、良好的耐銹蝕性能
高分子材料耐酸、耐堿、耐工業(yè)大氣的性能良好,因此碳纖維復(fù)合材料制成的自行車架有著
極好的耐酸堿腐蝕性能。
目前國(guó)內(nèi)碳纖維行業(yè)的不足
盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)在碳纖維復(fù)合材料技術(shù)上取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,但與國(guó)外復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展與規(guī)?;瘧?yīng)用方面還存在很大差距,具體分析如下:
1、需求牽引不足。由于市場(chǎng)缺乏消費(fèi)動(dòng)力,政策配套還未健全,制造商并未從碳纖維制造高投入中獲得高收益,嚴(yán)重制約了生產(chǎn)積極性,難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
2、碳纖維方面的差距。雖然近年來(lái)我國(guó)碳纖維產(chǎn)能快速放大,但差距依然存在。與國(guó)外相比,國(guó)產(chǎn)原絲大多雜質(zhì)含量高、質(zhì)量不夠穩(wěn)定、離散系數(shù)大,成本還需進(jìn)一步降低。
3、復(fù)合材料制造技術(shù)差距。滿足快節(jié)拍低成本制造的相關(guān)材料和自動(dòng)化裝備滯后。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有滿足低成本要求的碳纖維材料、快速制造的樹脂材料和配套工藝材料。國(guó)內(nèi)相關(guān)材料雖然也在研發(fā),但尚未形成標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。
4、設(shè)計(jì)開發(fā)和試驗(yàn)技術(shù)落后,能力不足。目前,復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件均來(lái)自于國(guó)外,覆蓋復(fù)合材料設(shè)計(jì)、工藝仿真、力學(xué)性能分析的系列仿真軟件。既懂制造又懂復(fù)材設(shè)計(jì)的人才稀缺,這些方面都需要在后續(xù)研發(fā)和應(yīng)用中逐步積累和完善。
5、復(fù)合材料維修技術(shù)尚未全面開始研究?;赩AT技術(shù)的修補(bǔ)材料及修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)需要進(jìn)一步推廣。
6、工業(yè)化的復(fù)合材料回收再利用技術(shù)還不成熟,尚未形成一條完整的復(fù)合材料回收利用產(chǎn)業(yè)鏈,需盡快開展碳纖維復(fù)合材料廢品的循環(huán)利用技術(shù)的研發(fā)工作,提高碳纖維產(chǎn)品的利用效率。
經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)這些年的努力,國(guó)內(nèi)碳纖維的生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到一個(gè)相當(dāng)高的水準(zhǔn),國(guó)內(nèi)人才儲(chǔ)備已經(jīng)日漸成熟,工業(yè)化的快節(jié)拍低成本制造已經(jīng)開始,英特力新材料公司率先在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)具備獨(dú)立設(shè)計(jì),獨(dú)立成批量制造的能力,萬(wàn)事俱備,只差市場(chǎng)的東風(fēng)。我們有理由相信碳纖維智造大時(shí)代即將來(lái)臨。