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碳纤维山地自行车架出产工艺的成长近况与成长

本文来由:采集而来基本权利整理:续办员人氣:颁发时候:2016-10-02【

自20世纪70年月人们起头在自行车设想和建造中接纳碳纤维复合资料以来,碳纤维自行车逐步成为高等活动自行车的成长标的目的,遭到了愈来愈多的存眷。跟着碳纤维复合资料建造手艺逐步趋于成熟,碳纤维售价大幅度降落,增进了碳纤维自行车的开辟研讨。颠末多年的成长,碳纤维复合资料已成为高、中档自行车车架的支流资料,遭到了遍及接待。
碳纤维复合资料具有强度高、模量大、密度小、抗委靡机能好、振动小、耐环境机能强等长处,用其建造的碳纤维自行车架具有以下特色。
1)品德轻,刚度大
树脂基碳纤维复合资料的密度凡是为16g/cm3
摆布,仅为钢密度的1/5,但其拉伸模量却能够或许到达高强钢的1.5倍以上。今朝,高级碳纤维山地车架品德遍及低于铝合金、钛合金山地车架,而刚度却更大,进步了车手的践踏效力,节流了膂力。
2)抗振性好
对形状与尺寸不异的梁的实验标明,轻合金梁须要9s才能遏制振动,碳纤维复合资料梁只要2.5s。复合资料杰出的阻尼性加重了自行车的波动,改良了山地车手的骑乘温馨性。
3)抗委靡特征好
碳纤维车架耐委靡实验可达100万次以上,远
远跨越了JIS94011984划定的10万次规范。从委靡断裂的体例来看,通俗金属车架的断裂都是突发的、不征象的,而碳纤维车架的委靡断裂通俗是在呈现裂纹以后,客观上增添了变乱预判的能够或许性,从而进步了车手的宁静性。
4)耐锈蚀
绝对传统金属车架而言,碳纤维自行车架具有不容置疑的抗环境性,耐酸、碱及财产大气,机能杰出,不会发生锈蚀。
5)布局设想自在度大
碳纤维车架通俗是先建造模具,而后在模具上铺设碳纤织片,最后用环氧树脂停止黏接固化。这类建造体例使得布局设想加倍自在,能够或许按照碳纤维复合资料的各向同性,按自行车运转时所受载荷的标的目的与巨细,设想出纤维的最优摆列和铺放体例,还能够或许按照氛围能源学道理,设想出加倍公道的车架外型,降落整车的风阻。
在具有诸多长处的同时,碳纤维山地车架也有一些错误谬误。
1)应力计较庞杂
因为碳纤维复合资料具有较着的各向同性,以是在建造车架时,须要针对纵向刚度、横向刚度等请求停止庞杂的应力计较,而后才能停止工艺设想。
2)抗穿刺机能差
Cannondale公司曾对其出产的山地车架停止了夹钳实验,将车架上管挤压变形并卸载后,铝合金车架发生了永远变形,而碳纤维车架顿时规复原状;当接纳锋利物打击时,铝合金车架发生部分粉碎,但仍能够或许利用,而碳纤维车架因为较多纤维断裂,强度没法保障。从用户反应信息来看,碳纤维车架生效凡是都是因为碰着了石尖等锋利物或遭到了点打击。
3)价钱高贵
和钛合金车架比拟,碳纤维车架的价钱有过之而无不及,顶级碳纤维车架的价钱能够或许到达乃至跨越2万元国民币。除优良碳纤维原资料自身的价钱身分外,首要还因为碳纤维车架的建造进程须要良多的手工操纵,并且制品率较低,形成出产本钱大幅回升。
Cannondale公司曾对其出产的山地车架停止了夹钳实验,将车架上管挤压变形并卸载后,铝合金车架发生了永远变形,而碳纤维车架顿时规复原状;当接纳锋利物打击时,铝合金车架发生部分粉碎,但仍能够或许利用,而碳纤维车架因为较多纤维断裂,强度没法保障。从用户反应信息来看,碳纤维车架生效凡是都是因为碰着了石尖等锋利物或遭到了点打击。
3)价钱高贵
和钛合金车架比拟,碳纤维车架的价钱有过之而无不及,顶级碳纤维车架的价钱能够或许到达乃至跨越2万元国民币。除优良碳纤维原资料自身的价钱身分外,首要还因为碳纤维车架的建造进程须要良多的手工操纵,并且制品率较低,形成出产本钱大幅回升。
1碳纤维山地自行车架成型工艺
今朝,碳纤维复合资料的成型工艺首要有裱糊成型、拉挤成型、纤维环绕纠缠成型、RTM成型、三维编织成型、热压罐成型等工艺体例,此中以RTM成型工艺最为合适碳纤维自行车架的建造。
RTM(ResinTransferMolding)成型工艺又称树脂通报模塑、树脂打针成型等,是指低黏度树脂在闭合模具中活动、浸润加强资料并固化成形的一种工艺手艺,具有工艺进程简略、功课环境洁净、制件外表品德好和易于完成等特色。通俗的碳纤维车架RTM工艺流程以下。
1)编织碳布
将碳纤维丝拉直并预浸树脂后,利用纺织工艺织成半固化的碳纤维片,也称碳布。今朝,在自行车架上经常利用的碳布编织体例按每束碳纤维纱中所含单丝的根数可分为1K、3K和12K等品种,此中1K和3K碳布首要用于外部层叠铺设,而大丝束碳布,如12K等则经常利用于车架外表层铺设。
2)模具铺设
对车架模具或车架部段模具停止脱模处置,而后将碳布按设想层数和标的目的层叠铺设于模具外表,在此进程中须要按照环境对五通、头管等特别部段加温,以使其更轻易成型。
3)固化成型
将铺设好的车架内置入密封的聚氨酯内胆,并在坐管夹部位预留加压口,在五通管部位安排钢轴定型,而后将车架全体放进钢模中(如图1所示)。用树脂打针机将必然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,同时在低温烤炉中加热,使车架固化成型。
4)外表处置图1碳纤维车架RTM模具
车架固化成型后须要对其外表停止打磨抛光处置,去除毛刺,而后按照设想请求贴花喷漆便可。
为了便于出产,最后的碳纤维车架都接纳分段固化成型的体例出产,而后再将各段毗连,这类车架的错误谬误是讨论强度不高或毗连件较重,不能完全表现碳纤维复合资料的上风。今朝,较好的碳纤维车架都已接纳一体式(Monocoque)成型工艺,晋升了车架的全体机能。
2碳纤维山地自行车架成长近况
自进入本世纪以来,跟着碳纤维手艺和山地自行车活动的成长,国际外的一些公司对碳纤维山地车架的建造工艺停止了大批的研讨和立异设想,推出了各类机能优良的碳纤维车架,使碳纤维复合资料的优胜性得以充实表现。
美国Trek公司利用其OCLV专利手艺,切确节制了碳纤维车架成型进程中的温度和压力,消弭车架建造进程中多层多标的目的层叠碳纤维之间发生的气泡,从而使车架具有了最大的强度品德比;在车架碳纤维布部分段毗连方面,Trek公司接纳门路式毗连法(STEPJOINT),坚持了管壁厚度的分歧性与联贯性(如图2所示)。
图2STEPJOINT讨论
以出产高品德钛合金车架而著名的TitusBicycles公司,胜利引进Vyatek活动科技公司的专利手艺,接纳激光切割、屡次固化成型等加工工艺,将钛合金与碳纤维复合资料毗连,推出了IsoGrid和ExoGrid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资料的长处(如图3、图
Cannondale公司曾对其出产的山地车架停止了夹钳实验,将车架上管挤压变形并卸载后,铝合金车架发生了永远变形,而碳纤维车架顿时规复原状;当接纳锋利物打击时,铝合金车架发生部分粉碎,但仍能够或许利用,而碳纤维车架因为较多纤维断裂,强度没法保障。从用户反应信息来看,碳纤维车架生效凡是都是因为碰着了石尖等锋利物或遭到了点打击。3)价钱高贵和钛合金车架比拟,碳纤维车架的价钱有过之而无不及,顶级碳纤维车架的价钱能够或许到达乃至跨越2万元国民币。除优良碳纤维原资料自身的价钱身分外,首要还因为碳纤维车架的建造进程须要良多的手工操纵,并且制品率较低,形成出产本钱大幅回升。1碳纤维山地自行车架成型工艺今朝,碳纤维复合资料的成型工艺首要有裱糊成型、拉挤成型、纤维环绕纠缠成型、RTM成型、三维编织成型、热压罐成型等工艺体例,此中以RTM成型工艺最为合适碳纤维自行车架的建造。
RTM(ResinTransferMolding)成型工艺又称树脂通报模塑、树脂打针成型等,是指低黏度树脂在闭合模具中活动、浸润加强资料并固化成形的一种工艺手艺,具有工艺进程简略、功课环境洁净、制件外表品德好和易于完成等特色。通俗的碳纤维车架RTM工艺流程以下。
1)编织碳布
将碳纤维丝拉直并预浸树脂后,利用纺织工艺织成半固化的碳纤维片,也称碳布。今朝,在自行车架上经常利用的碳布编织体例按每束碳纤维纱中所含单丝的根数可分为1K、3K和12K等品种,此中1K和3K碳布首要用于外部层叠铺设,而大丝束碳布,如12K等则经常利用于车架外表层铺设。
2)模具铺设
对车架模具或车架部段模具停止脱模处置,而后将碳布按设想层数和标的目的层叠铺设于模具外表,在此进程中须要按照环境对五通、头管等特别部段加温,以使其更轻易成型。
3)固化成型
将铺设好的车架内置入密封的聚氨酯内胆,并在坐管夹部位预留加压口,在五通管部位安排钢轴定型,而后将车架全体放进钢模中(如图1所示)。用树脂打针机将必然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,同时在低温烤炉中加热,使车架固化成型。
4)外表处置图1碳纤维车架RTM模具
车架固化成型后须要对其外表停止打磨抛光处置,去除毛刺,而后按照设想请求贴花喷漆便可。
为了便于出产,最后的碳纤维车架都接纳分段固化成型的体例出产,而后再将各段毗连,这类车架的错误谬误是讨论强度不高或毗连件较重,不能完全表现碳纤维复合资料的上风。今朝,较好的碳纤维车架都已接纳一体式(Monocoque)成型工艺,晋升了车架的全体机能。
2碳纤维山地自行车架成长近况
自进入本世纪以来,跟着碳纤维手艺和山地自行车活动的成长,国际外的一些公司对碳纤维山地车架的建造工艺停止了大批的研讨和立异设想,推出了各类机能优良的碳纤维车架,使碳纤维复合资料的优胜性得以充实表现。
美国Trek公司利用其OCLV专利手艺,切确节制了碳纤维车架成型进程中的温度和压力,消弭车架建造进程中多层多标的目的层叠碳纤维之间发生的气泡,从而使车架具有了最大的强度品德比;在车架碳纤维布部分段毗连方面,Trek公司接纳门路式毗连法(STEPJOINT),坚持了管壁厚度的分歧性与联贯性(如图2所示)。
图2STEPJOINT讨论
以出产高品德钛合金车架而著名的TitusBicycles公司,胜利引进Vyatek活动科技公司的专利手艺,接纳激光切割、屡次固化成型等加工工艺,将钛合金与碳纤维复合资料毗连,推出了IsoGrid和ExoGrid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资料的长处(如图3、图
的数据和更公道的形状设想。
2)体育和航天科技的引进。碳纤维复合资料手艺在兵工、航天和体育科技等良多范畴都获得了普遍的利用,这些范畴的某些研讨功效已利用到山地自行车架的设想和建造中,比方IsoTruss网状布局、Nanotechnology纳米碳手艺和Vyatek公司的IsoGrid、ExoGrid和BiFusion等专利手艺均给碳纤维自行车架的设想和建造注入了新颖血液。若能恰当地参考其余范畴的碳纤维复合资料手艺研讨功效,将有助于增进碳纤维车架出产工艺的成长。
3)RTM系列手艺成长功效的利用。最近几年来,RTM工艺普遍吸收其余成型工艺的特色,成长成为RTM系列,经常利用的有真空帮助RTM(VARTM)、Seemann复合资料树脂浸渍模塑成型工艺(SCRIMP)、树脂膜渗入成型工艺(RFI)等,Trek公司的OCLV焦点手艺便是在VARTM根本上成长起来的。RTM手艺今朝仍处于不时成长中,跟着RTM装备、树脂和模具手艺的日益完美,碳纤维车架的全体建造程度将会有明显的进步。
4)差别资料的连系利用。因为山地自行车架的差别部位对资料的力学机能请求不尽不异,若能针对差别资料的特征物尽其用,将有助于充实阐扬各类资料的上风,打造高机能的山地自行车架。今朝利用于山地自行车架的碳纤维有良多种,若是将差别强度和模量的碳纤维连系利用,在须要高刚度的部位利用较多的高模量纤维,在须要高强度的部位利用较多的高强度纤维,无特别请求的部位则尽能够或许利用通俗的纤维,便能够或许在打造高机能、轻量化碳纤维车架的同时,有用降落出产本钱。若能将碳纤维与诺梅克斯、凯芙拉和玻璃纤维等纤维资料和铝合金、钛合金等金属资料相连系,则有能够或许建造出机能出色的车架。
5)碳纤维山地自行车架的毁伤修复。碳纤维车架的错误谬误之一是抗穿刺才能差,遭到较大点打击时轻易报废,若是能对毁伤处停止修复,便可有用进步碳纤维车架的利用寿命。今朝,在航空航天范畴已展开了较多对纤维复合资料修复的研讨,这些研讨功效能够或许作为碳纤维山地自行车架毁伤修复的研讨根本。
全体来讲,各类手艺的成长将使碳纤维山地自行车架的出产工艺向着进步机能和降落本钱的标的目的成长,使碳纤维活动自行车逐步进步。跟着国际相干搀扶打算的推出,中国的碳纤维财产在3~5年内
将步入高速成长期,届时碳纤维质料价钱的降落将间接反应在相干的自行车产物上。
 
 

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