关于碳纤维

很多车友问及碳纤维，而且越来越多的车友用上了碳纤维的车架或其他零件，我碰巧是学高分子材料的，在这里就我所知和大家交流一下 我们平时所说的碳纤维车架，其实更准确地应该称之为碳纤维复合材料车架，他是纤维增强复合材料（fiber reinforced composite materials)的一种。他是由碳纤维和环氧树脂复合而成，在CFRP中，我们把碳纤维叫增强材料，是分散相，把树脂叫基体基体材料，是连续相。 之所以成为高档自行车的首选材料之一，是由它自身的力学和化学性能决定的。他的特点： 1。比强度（强度密度比）和比模量（模量密度比）高。这就造成了制作相同强度的车架，选用CFRP(碳纤维复合材料）可以做得很轻。下面比较几种常见结构材料的力学性能 材料 密度（g/cm3) 抗张强度（Gpa) 弹性模量（Gpa) 比强度 比模量 钢 7.8 1.010 206 0.13 26 铝 2.8 0.461 74 0.17 26 钛 4.5 0.942 112 0.21 25 CFRP二 1.45 1.472 137 1.02 95 CFRP一 1.6 1.050 235 0.66 147 2。抗疲劳性好 一般金属材料的疲劳破坏是没有明显征兆的突发性破坏，而CFRP具有良好的抗疲劳性，而且破坏前有明显的征兆。河北山地队有几辆CFRP架的车就是出现了可见裂纹，而仍保有大部分强度，这就大大提高了骑乘的安全性。原因：增强纤维较细，缺陷少。基体塑性好，可以抑制裂纹发展。当然由于属于前沿材料，技术工艺，品控，还不成熟，还有待实践的检验 3。破损安全性好 CFRP横截面上有成千上万个独立纤维，，即使有部分纤维由于过载而断裂，载荷会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂 4。减震能力强 (1)CFRP比模量大，自振频率高，不易出现共振 (2)CFRP是一种非均质多相体系，在纤维与基体 之间存在大量界面，由于界面对震动有反射和吸收的作用，所以CFRP震动阻尼强，能使震动很快衰减 5。高温性能良好 碳纤维可承受2000摄氏度左右高温，而强度不变，所以CFRP整体的耐温性取决于作为基体的环氧树脂，各种牌号的环氧树脂的耐热性是不一样的，助剂也会产生影响。CFRP的车架在这方面是不会有问题的 6。抗老化性好 有一次在北京的行如风买东西，一个店员问到这个问题。CFRP中的碳纤维在500摄氏度以上才会被空气中的氧氧化，而且他被基体完全保护起来了。基体材料环氧树脂加入适当助剂抗老化性也是相当棒的，一般使用期为二十年。所以说CFRP车架会先是力学破坏，不用担心他的化学老化 7.可设计性强 大家都知道，不多说了 嗯，手腕酸了，本来我打字就慢，很辛苦啊，这次就到这里，下次介绍CFRP的两种组成材料和复合工艺 纤维复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料组合而成的，他的结构包括纤维，基体和界面。这三个方面都会影响CFRP的性能。CFRP中的纤维就是碳纤维，作用是承受载荷，而基体呢使用来保护纤维铺设形态，允许纤维承受压缩和剪切载荷，分散传递载荷，并保护纤维。 下面分别简单介绍一下碳纤维，环氧树脂，和复合工艺 碳纤维通常是用原丝烧制而成，车架的CFRP中的碳纤维多是由聚丙烯腈（PAN)烧制成。 PAN原丝（200－300摄氏度空气预氧化）成为耐燃纤维（800－1500度惰性气体保护下）成为碳纤维（2000－300度惰性气体）石墨碳纤维，含碳可达百分之98，为类似石墨的层状结晶结构 环氧树脂（EPOXY RESIN)是指分子中含有两个或两个以上的环氧集团的线性有机高分子化合物。CFRP基体就是环氧树脂与固化剂发生交联固化而成，或自身固化而成的不溶不熔的三维网状聚合物。环氧树脂的品种和牌号很多，这里就不一一介绍了 复合方法主要有预浸料法，喷射成型法，模压成型法等。郑州轻工业学院曾用模压成型法造出过CFRP自行车架，台湾巨大机械（捷安特）旗下的巨瀚科技用的是预浸料卷管法 简单介绍巨大的工艺 将连续纤维或织物预先浸渍树脂经一定处理后储备用的半成品称为预浸料。单向，双向或三向编织物（这时可加入其他纤维如KEVLAR或钛丝以改进性能）通过喂丝架输送到树脂槽内浸渍溶液状树脂，然后通过干燥箱将树脂中的溶液烘干，然后卷绕成卷备用。巨大采用的不是树脂溶液，而是熔融态树脂，成为干法。干法做出的预浸料树脂含量比较均匀，而且减小了影响CFRP层间剪切强度的隐患，只是设备比较复杂，投资较大。 预浸料完成之后进入实体成型。预浸料裁切，分料，称重后，（一台GIANT TCR 大概要500片形状各异的切片糊成）负责车架各部分塑性的员工，用手将软质的预浸料切片糊到模具上。然后各部分拼接，送加热炉加热固化。固化后再经过打磨钻孔涂装等后期处理，一台CFRP车架就这样诞生了 台湾早在70年代末就开始研究T碳纤维，私立逢甲大学与台湾中国技术服务社触媒研究中心是比较有代表性的单位。配套厂家也比较多，如碳纤维和环氧树脂都形成了一定的生产能力，碳纤维产量在亚洲仅次于日本，但质量上仍有差距。巨大的碳纤维原料依赖从日本东丽公司进口。台湾的CFRP自行车最先是1987年巨大机械开发的铝合金接头式CFRP车架，随后在工研院的合作下，第二代一体成型CFRP车架在1993年完成，然后陆续开发第三代设计，逐渐建立自有品牌，最高峰年产8万辆，独占国际市场百分之70，由于工艺不稳定及价格原因，市场不易开拓，1997年跌至5万辆，98年继续下跌。时至今日，随着技术进步工艺的成熟，价格逐渐下降，CFRP自行车经受住了实际使用和市场的考验，正逐步走近你我 主要参考文献 纤维复合材料 肖长发 中国石化出版社 复合材料 吴人洁 天津大学出版社 台湾碳纤维运动器材市场现况及发展 赵玨 期刊：高科技纤维与应用 台湾的碳纤维及相关产业 贺福 赵建国 期刊：化工新型材料 单车细胞工程 张寿生 单车志