碳纖維複合材料自行車

「隨著材料製造工藝的高速發展和國內外自行車市場的擴大，先進複合材料諸如碳纖維、碳化硅纖維和Kevlar纖維等高性能纖維複合材料開始在自行車行業中得到使用，使傳統的自行車生產工藝走向高科技，最終使自行車趨於高檔化、輕型化與新型化。」一位自行車行業人士表示。

據悉，自行車自誕生200多年來，其製造材料一直以金屬為主，如從普通鋼到鉻鉬鋼、錳鉬鋼、不鏽鋼等特殊鋼，再到鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕合金，材料每更新一次，其性能就前進一步。而碳纖維複合材料自行車，已成為目前自行車王國中的佼佼者，其研發、生產目前已遍及世界發達國家。

性能優異超過金屬材料

西安航天複合材料研究所吳大雲認為，碳纖維及其複合材料具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐衝擊、抗疲勞和尺寸穩定性高等一系列優異性能。採用碳纖維複合材料製造自行車首先能有效地降低自行車重量。碳纖維樹脂基複合材料的密度通常為1.6g/cm3，是鋼的l/5，較鋁材則減重40%左右。在台灣自行車業界有這樣的說法，「自行車重量降低1克，賣價可提高1美元」。據專業的測算，對一輛結構相同的自行車，若重量相差4磅（約1.8公斤），同一運動員在2公里的行程中，重的那輛要慢193英尺（約58.82米）。

其次是提高了車身的整體剛度，安全性增加。吳大雲指出，碳纖維複合材料中基體是以連續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衝撞時，即使有少量的纖維斷裂，其載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使結構還能承載，大大提高了騎乘的安全性。而一般金屬材料的疲勞破壞是沒有明顯徵兆的突發性破壞。研究表明，碳纖維複合材料車架耐衝撞試驗可達100萬次以上，遠遠超過了JIS-9401-1984規定的10萬次標準。

再次是顯著改進了自行車的抗震性。剛度好的車架有利於驅動力的轉換，操縱性能提高。碳纖維複合材料自行車結構堅固，不易變形，而且減震效果突出。據報道，對形狀與尺寸相同的車架進行試驗表明，鋁合金車架需要9秒才能停止振動，而碳纖維複合材料車架只需2.5秒就可停止，複合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸。不僅如此，和金屬相比，碳纖維製成的自行車還具有良好的耐鏽蝕性。高分子材料的耐酸鹼、工業大氣性能良好，因此使用碳纖維樹脂基複合材料製成的自行車零部件有無可置疑的耐環境性能。

設計製造更為複雜

業內專家透露，雖然具有優異的性能，但是複合材料自行車的設計和製造也遠比一般金屬材料自行車要更為複雜，目前我國在這個領域和國外先進水平還有不小的差距。

國外在上世紀80年代中期，歐美一些自行車生產廠家開始研製碳纖維自行車。近年來，日本、美國、西歐及中國台灣利用對飛機部件的設計製造方法，分析了車架的應力承受情況，對受力較大的部位予以增強，更符合空氣動力學要求。用內部加壓注塑的方法製成的整體式碳纖維車架，整個自行車的重量可控制在7.5公斤左右，較管狀粘接的車架輕20%，而剛性與鉻鉬車架相當，可以避免粘接問題，擺脫了傳統的菱形車架模式，製造更趨於流線型、多樣化。通過在樹脂中添加適量染料，還可使其表面更加艷麗。

西安航天複合材料研究所王曉潔、張世傑透露，歐美等國的自行車廠商與研究部門密切合作，對自行車進行了計算機輔助受力分析和強度計算，使自行車外形更符合人機工程學的要求。

我國台灣地區的捷安特公司與台灣材料研究室於1985年共同開發碳纖維自行車，在不長的時間內即成功地開發了鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車車架。1988年，捷安特公司開始批量生產聯合開發的碳纖維自行車車架，並組裝整車上市，在島內外自行車市場引起了極大的反響。

1993年，天津飛鴿自行車（集團）公司和北京環航複合材料公司聯合投資開發粘接型碳纖維自行車。深圳中華自行車公司自籌資金在1993年底建成一個生產廠，生產自行車用碳纖維管，目前已研製出可焊接碳纖維管自行車。近幾年來，國內一些企業在複合材料自行車的研製上也取得了進展，但是由於價格偏高，還沒有大批量生產和銷售。

碳纖維原材料是發展瓶頸

據介紹，國內在該領域起步較晚，目前還未得到大規模生產和應用。業內人士認為，除了研發、生產技術的落後，原材料也成為我國複合材料自行車發展的瓶頸。

連雲港迎雁新材料有限責任公司周恆香表示，我國聚丙烯腈基碳纖維的研究始於20世紀60年代末，由於碳纖維是重要的軍工材料，國外對我國進行了嚴格的技術封鎖和禁運，我國碳纖維基本上是以自主研發為主。從1976年山西煤化所第一條PAN基碳纖維生產線建成至今已有連雲港中復神鷹碳纖維有限公司、吉林石化公司、威海拓展等公司具備生產T300碳纖維原絲和碳絲的能力。但大部分企業的生產規模小，只能部分應用于軍工產品，對於民用市場用量最大的12K碳纖維只有個別公司能夠穩定生產。

據悉，幾年前由於碳纖維原料價格很高，在最高峰時進口碳纖維12K的市場價格在500元/公斤以上，3K的市場價格在2000元/公斤以上，國內的碳纖維還不能用到自行車的生產上，所以一部自行車的價格都在幾萬元以上。近年來，國產碳纖維已經能夠成熟穩定地生產，打破了國外碳纖維的技術封鎖，碳纖維的價格回歸理性，現在國產碳纖維的價格只是進口碳纖維最高峰時的1/4，國內企業可以用國產碳纖維設計、生產碳纖維自行車配件，碳纖維自行車將不再是「陽春白雪」了。「當然，我們還需要在製作工藝上下工夫，不斷提高碳纖維自行車配件生產的自動化水平，進一步降低生產成本，使碳纖維自行車從天價回歸到一個合理的價格水平。」周恆香說。

全世界每年生產的自行車總量超過1億輛，而碳纖維自行車只有70萬輛，性能這麼優越的材料在自行車的生產總量中只佔很低的比例。業內人士指出，隨著國產碳纖維自行車的開發生產，製作的自動化水平不斷提高，碳纖維自行車能夠走進中國尋常百姓家已經為時不遠。

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自行車賣出汽車價

目前，國外生產研製廠家在普及碳纖維自行車應用的同時，為增強企業的高科技形象，他們在發展碳纖維自行車的高檔化與新穎性方面也做了大量工作。

美國德耳塔運動公司為了進一步減輕碳纖維複合材料自行車的重量，研究人員利用碳纖維網格結構來設計自行車，採用該結構製造出的輕便自行車只有2.5公斤，但是180公斤的重量級男子坐在上面，自行車也可以輕鬆自如地前進。該車架充分利用了網格結構重量效率高、抗壓及抗彎曲性能好、耐損傷程度高大、易檢測與修補等優點，同時結構新穎，很受消費者青睞。

目前，網架自行車還沒有進行批量生產，因此該車的車架成本高達6995美元，整車則要11995美元。研究人員希望能改進工藝，降低車架的成本，這樣到時可以把這種車架用於摺疊自行車，人們就可以輕鬆地拎著它進入公交車和地鐵了。