碳纤维复合材料在自行车工业的应用

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1、碳纤维复合材料在自行车工业的运用在我们尚未探讨主题之前，当然要先介绍一下什麼是复合材料？什麼是碳纤维？简要的说明复合材料是由两种或两种以上性能不同的材料，以物理的方式结合在一起。其结合后的机械性质会有卓越的表现，并较原来单一材料之性质较為优越，而其中以树脂為基材的高分子复合材料则是目前应用较為广泛的复合材料。例如航太工业的要求首在轻、强。那麼纤维复合材料之特性即是"比铝轻，比钢强"，為此，纤维复合材料被广泛的运用在航太工程中。那麼碳纤维又是什麼呢？在材料学上来说，任何一种材料，像高分子的金属、或陶瓷材料，製作成為直径与长度的比例在1：1000以上之形状时，称之

2、為纤维材料。简单的说它就像你我身上穿的衣料一样，只是材质不同而已。碳纤维是含碳量高於90%的纤维的总体。碳纤维既具有元素碳的各种优良性能，如比重小、耐热、耐衝击，耐化学腐蚀和导电等，又有纤维的可绕性和优异的力学性能。特别是它的比强度和比模量高，在绝氧条件下，可耐2000℃的高温，是一种重要的工业用纤维材料，适用于作增强复合材料、烧蚀材料和绝热材料。碳纤维的分类：碳纤维一般可按力学性能和製造原材料来进行分类。按力学性能一般可分为：(a)超高模量（UHM）碳纤维如：LOOKKG585、KG481SL、TREKOCLV55"MADONESSL"、TREKOCLV11

3、0"LIVESTRONG6"(b)高模量（HM）碳纤维如：LOOKKG486、KG386i、TREK"MADONE5.2""PILOT5.2"(c)超高强度（UHS）碳纤维如：LOOKKG461(d)高强度（HS）碳纤维。按原材料可分为：聚丙烯腈（PAN）碳纤维、沥青碳纤维和人造丝碳纤维。目前结构材料中大多数使用PAN碳纤维。那麼碳纤维的性质又是如何？PAN碳纤维及其复合材料具有以下特徵。其中括弧内为碳纤维的纤维轴方向的特徵。（1）与金属相比，密度小（1.7-2.0g/cm3），质轻；（2）模量高（200-650GPa），高刚性；（3）强度高（3-7GPa）；

4、（4）疲劳强度高；（5）耐磨耗性、润滑性优良；（6）振动衰减性优良；（7）热膨胀係数小（0～-1.1×106K-1），尺寸稳定性好；（8）具有导热性（10-160Wm-1K-1）；（9）在惰性气体中耐热性优良；（10）具有导电性（17-5uΩ·m）；（11）具有电磁波遮罩性；（12）X射线透过性优良；（13）属多种导性材料，针对其目的可设计出适当的结构体。因此，像高分子的碳纤维(CarbonFiber)可作用為钓鱼桿、高尔夫球头、自行车车架、自行车零件或用於飞航器材。又如高分子克拉纤维材料，如用作防弹衣的Kevlar克拉纤维；又有如金属纤维材料，如电磁屏蔽用的

5、不銹钢纤维；又有如陶瓷纤维材料，用於电子资讯之光纤。这些高科技又精密的尖端纤维材料，经过高层次的加工，作成二次元或三次元结构的纤维复合材料，就能造就更多更重要的领域与用途。如在：交通运输方面、医用材料方面、建筑营造、及运动休閒、航空太空方面等。这些用途藉由高分子纤维复合材料创造了人们的新生活领域、开拓了新的视野、带来了生活的方便性。基本来说高分子纤维复合材料是目前当红科技產物，其运用之广泛在您我日常生活当中已经变為不可或缺。说了一大堆的专业名词，实在很难想像到底是要如何将纤维这麼软的原料变成硬梆梆的產品。现在我们将更深入的探讨其加工过程及製作方式，这样一来就更

6、了解碳纤维是如何做成自行车零件了。一般来说碳纤维用在自行车工业上有两种不同的製作方式，一种是缠绕成型，一种是热压成型。接下来我们将就这两种不同的加工方式逐一探讨。缠绕成型技术可算是复合材料结构產品中发展最早也最為成熟的一种加工法。也可称為捲压成型，这就是做自行车车架管材的方法，举凡圆管、方管、三角管等等之管类皆可製做。(但是变形量太大之管材如S型或是T型，因脱模技术受限必需以热压成型才可製作。)缠绕成型法是将含浸过树脂的连续纤维砂束(Roving)，按预先设定的路径(角度)，使得纤维束在设定的缠绕角度下，快速而準确的依序并排在心轴(Mandrel)或模具(Mo

7、ld)上直至覆盖整个心轴，而达到设计所需的厚度后，再经树脂硬化(Curing)，脱模等程序而得到成品。另外一种是热压成型：它有分实心及空心两种做法，它的製程和缠绕成型大致相同，只是它的空心心轴被吹袋取代，而改取气压成型。这种成型的过程适合许多异型物件，或变形量大的物件，或是大型的物件，基本上这就是类似鸡蛋糕的製作方法。原则上两种不同的製作过程產生的產品必须是比原单一材料之机械性能更加良好，对於耐疲劳及抗衝击能力的提升有著显著的效果才算是成功的替代材质。其实复合材料的研发早在1940年代就已经成型了，它的主要目的是要取代木材成為其替代品(因為环境保护的关係不鼓励

8、滥垦滥伐)当时还是以玻纤/高分子复材為