碳纤维复合材料自行车发展优势

摘要

碳纤维复合材料在自行车制造中表现卓越，具有轻量、高刚性、抗震、安全等特性，提升了自行车性能。然而，国内碳纤维行业在需求、碳纤维质量、复合材料制造技术、设计开发试验技术、维修技术及回收再利用等方面与国外存在差距。尽管如此，随着国内技术发展和人才储备的成熟，碳纤维智造大时代即将到来。

正文

自行车材料的优越程度要从材料的密度、强度、弹性模量和耐腐蚀等几个方面综合考虑。

钢材作为自行车最久的材料，他拥有很好的弹性，成本较低，但由于密度大，易生锈，易疲劳。铝合金是目前市场上使用普遍的材料，他的重量轻，不会生锈，但弹性太差，容易疲劳，骑行的舒适感不好。镁合金的密度比铝合金要小，基本性能和铝合金差不多。钛合金的耐疲劳性比其他金属材料好，但价格高，比重却没有优势。而 碳纤维 复合材料 强度高、弹性好、密度轻、耐腐蚀，由碳纤维复合材料生产的自行车具有以下各方面的特点：

碳纤维复合材料提升单车各方性能

1、有效降低了自行车的总重量

碳纤维树脂基复合材料的密度一般只有1.6。只是钢的五分之一，与铝材相比，可以减重40%左右。自行车行业内有这样一种说法，重量减轻1g，价格可提高1美元。一辆碳纤维复合材料自行车车架比铝合金车架轻四分之一。重量轻可以降低体能损耗从而提高骑行速度。

2、车身的总体刚性高

刚度好的车架有利于驱动力的转换，提高了自行车的操纵性能。碳纤维复合材料自行车的结构坚固，不容易变形。实践证明，其车架刚性不低于珞钼钢车架。

3、良好的抗震性

结构的自振频率不仅结构外形有关，还与材料的比模量平方成正比，高的自振频率能够避免了工作状态下共振引起的早期破损。据报道，对形状与尺寸相同的车架进行试验表明，铝合金车架需要9秒才能停止的振动，自振频率极高的碳纤维复合材料只需要2.5秒就可以停止，复合材料良好的阻尼性减轻了自行车的颠簸，提高了乘骑的舒适性。

4、安全性好

碳纤维复合材料中的基体是以连续相形式包围着独立存在的碳纤维，构成一种动态不确定体系，当材料受到冲撞时，当其中少量纤维发生断裂，载荷将会迅速重新分配到未断裂的纤维上，这样结构还能继续承载，使骑乘的安全性大大提高了。一般金属材料的疲劳破坏是很难观察到明显的征兆，其破坏往往是突发性破坏，而碳纤维复合材料车架具有非常好的抗疲劳性，而且破坏之前能够观察到明显的征兆。研究表明，碳纤维复合材料车架耐冲撞试验可超过百万次。

5、增加了结构设计的自由度

碳纤维复合材料具有各向异性的特点，可以利用复合材料这一特点，根据自行车在行驶时受载的方向和大小来排列和铺放纤维。复合材料制造的灵活性，有利于设计出各种造型的结构。如可按空气动力学原理设计出流线型自行车，美观而实用，容易实现最佳性价比。

6、良好的耐锈蚀性能

高分子材料耐酸、耐碱、耐工业大气的性能良好，因此碳纤维复合材料制成的自行车架有着极好的耐酸碱腐蚀性能。

目前国内碳纤维行业的不足

尽管近年来国内在碳纤维复合材料技术上取得了长足的发展，但与国外复合材料技术发展与规模化应用方面还存在很大差距，具体分析如下：

1、需求牵引不足。由于市场缺乏消费动力，政策配套还未健全，制造商并未从碳纤维制造高投入中获得高收益，严重制约了生产积极性，难以实现大规模产业化。

2、碳纤维方面的差距。虽然近年来我国碳纤维产能快速放大，但差距依然存在。与国外相比，国产原丝大多杂质含量高、质量不够稳定、离散系数大，成本还需进一步降低。

3、复合材料制造技术差距。满足快节拍低成本制造的相关材料和自动化装备滞后。目前国内已经有满足低成本要求的碳纤维材料、快速制造的树脂材料和配套 工艺 材料。国内相关材料虽然也在研发，但尚未形成 标准 和实现工业应用。

4、设计开发和试验技术落后，能力不足。目前，复合材料设计软件均来自于国外，覆盖复合材料设计、工艺仿真、力学性能分析的系列仿真软件。既懂制造又懂 复材 设计的人才稀缺，这些方面都需要在后续研发和应用中逐步积累和完善。

5、复合材料维修技术尚未全面开始研究。基于VAT技术的修补材料及修复补强技术需要进一步推广。

6、工业化的复合材料回收再利用技术还不成熟，尚未形成一条完整的复合材料回收利用产业链，需尽快开展碳纤维复合材料废品的循环利用技术的研发工作，提高碳纤维产品的利用效率。

经过国内这些年的努力，国内碳纤维的生产已经达到一个相当高的水准，国内人才储备已经日渐成熟，工业化的快节拍低成本制造已经开始，我们有理由相信碳纤维智造大时代即将来临。