複合材料在自行車工業的運用

複合材料在自行車工業的運用

各位一定看過街頭小販製作雞蛋糕，原本濃稠的雞蛋糕原料經過溫度加熱後，在上下模具的壓合之下，一顆顆美味金黃的雞蛋糕就產生了。

令人訝異的是，這古老的食品工業加工方式，卻是和現今個種纖維複合材料的製作方式是如此雷同，並且原理是這樣的相近。經由上述雞蛋糕的說明，相信各位已經知道我們要探討的主題了， 那就是 "碳纖維複合材料在自行車工業的運用"。

在我們尚未探討主題之前，當然要先介紹一下什麼是複合材料 ? 什麼是碳纖維 ?簡要的說明複合材料是由兩種或兩種以上性能不同的材料，以物理的方式結合在一起。其结合後的機械性質會有卓越的表現，並較原來單一材料之性質較為優越，而其中以樹脂為基材的高分子複合材料則是目前應用較為廣泛的複合材料。例如航太工業的要求首在輕、強。那麼纖維複合材料之特性即是”比鋁輕，比鋼強”，為此，纖維複合材料被廣泛的運用在航太工程中。

那麼碳纖維又是什麼呢 ?在材料學上來說，任何一種材料，像高分子的金屬、或陶瓷材料，製作成為直徑與長度的比例在1：1000 以上之形狀時，稱之為纖維材料。簡單的說它就像你我身上穿的衣料一樣，只是材質不同而已。碳纖維是含碳量高於90%的纖維的總體。碳纖維既具有元素碳的各種優良性能，如比重小、耐熱、耐衝擊，耐化學腐蝕和導電等，又有纖維的可繞性和優異的力學性能。 特別是它的比強度和比模量高，在絕氧條件下，可耐2000℃的高溫，是一種重要的工業用纖維材料，適用于作增強複合材料、燒蝕材料和絕熱材料。

碳纖維的分類:

碳纖維一般可按力學性能和製造原材料來進行分類。按力學性能一般可分爲：

（a） 超高模量（UHM）碳纖維； 如 LOOK KG 585、 KG 481SL、TREK OCLV 55 "MADONE SSL"、TREK OCLV
110 "LIVESTRONG 6"
（b） 高模量（HM）碳纖維； 如 LOOK KG 486、 KG 386i、TREK "MADONE 5.2" "PILOT 5.2"
（c） 超高強度（UHS）碳纖維；如 LOOK KG 461
（d） 高強度（HS）碳纖維。

按原材料可分爲：

聚丙烯腈（PAN）碳纖維、瀝青碳纖維和人造絲碳纖維。目前結構材料中大多數使用PAN碳纖維。

那麼碳纖維的性質又是如何 ？？
PAN碳纖維及其複合材料具有以下特徵。其中括弧內爲碳纖維的纖維軸方向的特徵。
（1）與金屬相比，密度小（1.7-2.0g/cm3），質輕；
（2）模量高（200-650GPa），高剛性；
（3）強度高（3-7GPa）；
（4）疲勞強度高；
（5）耐磨耗性、潤滑性優良；
（6）振動衰減性優良；
（7）熱膨脹係數小（0～-1.1×106K-1），尺寸穩定性好；
（8）具有導熱性（10-160Wm-1K-1）；
（9）在惰性氣體中耐熱性優良；
（10）具有導電性（17-5uΩ·m）；
（11）具有電磁波遮罩性；
（12）X射線透過性優良；
（13）屬多種導性材料，針對其目的可設計出適當的結構體。

因此，像高分子的碳纖維(Carbon Fiber)可作用為釣魚桿、高爾夫球頭、自行車車架、自行車零件或用於飛航器材。 又如高分子克拉纖維材料，如用作防彈衣的 Kevlar 克拉纖維；又有如金屬纖維材料，如電磁屏蔽用的不銹鋼纖維；又有如陶瓷纖維材料，用於電子資訊之光纖。這些高科技又精密的尖端纖維材料，經過高層次的加工，作成二次元或三次元結構的纖維複合材料，就能造就更多更重要的領域與用途。如在：交通運輸方面、醫用材料方面、建築營造、及運動休閒、航空太空方面等。這些用途藉由高分子纖維複合材料創造了人們的新生活領域、開拓了新的視野、帶來了生活的方便性。基本來說高分子纖維複合材料是目前當紅科技產物，其運用之廣泛在您我日常生活當中已經變為不可或缺。

說了一大堆的專業名詞，實在很難想像到底是要如何將纖維這麼軟的原料變成硬梆梆的產品。現在我們將更深入的探討其加工過程及製作方式，這樣一來就更了解碳纖維是如何做成自行車零件了。

一般來說碳纖維用在自行車工業上有兩種不同的製作方式， 一種是纏繞成型， 一種是熱壓成型。接下來我們將就這兩種不同的加工方式逐一探討。纏繞成型技術可算是複合材料結構產品中發展最早也最為成熟的一種加工法。也可稱為捲壓成型，這就是做自行車車架管材的方法，舉凡圓管、方管、三角管等等之管類皆可製做。(但是變形量太大之管材如S型或是T型，因脫模技術受限必需以熱壓成型才可製作。)

纏繞成型法是將含浸過樹脂的連續纖維砂束(Roving)，按預先設定的路徑(角度)，使得纖維束在設定的纏繞角度下，快速而準確的依序並排在心軸(Mandrel)或模具(Mold)上直至覆蓋整個心軸，而達到設計所需的厚度後，再經樹脂硬化(Curing)，脫模等程序而得到成品。

另外 一種是熱壓成型:它有分實心及空心兩種做法，它的製程和纏繞成型大致相同，只是它的空心心軸被吹袋取代，而改取氣壓成型。這種成型的過程適合許多異型物件，或變形量大的物件，或是大型的物件，基本上這就是類似雞蛋糕的製作方法。原則上兩種不同的製作過程產生的產品必須是比原單一材料之機械性能更加良好，對於耐疲勞及抗衝擊能力的提升有著顯著的效果才算是成功的替代材質。其實複合材料的研發早在1940年代就已經成型了，它的主要目的是要取代木材成為其替代品(因為環境保護的關係 不鼓勵濫墾濫伐) 當時還是以玻纖/高分子複材為主，到了1960年代碳纖／高分子複材才逐步取代木材及合金，成為遊艇、汽車、航太等的必備材料，近年來由於地球溫暖化的問題，森林的保護成為全球課題，高分子複合材料取代木材將更為徹底的被執行，因此複合材料的發展特徵就是取代既有植物和礦物的加工製品，並展現出更優異的化性和物性。但是科技永遠只是科技，它雖然取代了木材及合金，但卻新製造了一個環境保護的問題。因為許多高分子複合材料像碳纖維,克拉纖維等等皆是千年不朽萬年不腐的。各位可以想像一下我們的地球是否可以容納這麼多的科技垃圾，以及我們的子子孫孫們會怎樣來為這當紅科技收拾其帶來的環保問題。舉例來說以目前的科技尚無法有效的解決塑膠材料帶來的環保問題，更何況目前高分子複合材料尚未被環保人士抬上桌面去討論及大聲疾呼的禁止。

其實不只玻璃纖維,碳纖維,和克拉纖維皆是有害環保的。1967年的硼纖維及1980年代的PEEK纖維(對不起喔 我也沒看過這玩意兒)皆是對環境有傷害的。從最近一項研究資料顯示全球一年生產的高分子複合材料約在550-600萬公噸。
說了這麼多，還是回到我們的主題吧 ! 現在我要介紹一些圖片讓大家更了解碳纖維複合材料是如何製作各種自行車零件的。

圖一 裁剪碳纖維材料
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圖二 碳纖維材料組合及入模熱壓 (就是這個動作把碳纖維成型變硬的啦)http://www.biker.com.tw/Upload/Teach/37_02.jpg
圖三 碳纖維成型後去除毛邊及補土修飾
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圖四 塗裝
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圖五 組裝坐管成品
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圖六 車架後上叉及下叉上膠
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圖七 切除多餘長度
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圖八 車架品檢
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圖九 車架膠合後檢驗
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成品
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那麼更深入的問題來了 ! 這也是我最常遇到的問題 !
到底是用纏繞成型法的碳纖維管加接頭(lug)的碳纖維車架好呢 ?
還是以熱壓成型的碳纖維車架(一體成型車架)好呢 ?
我們可以從下列角度去思考:

1)車架舒適度 ( Comfort 也可比喻成吸震度 )
2)車架堅硬度 ( Stiffness )
3)車架反應度 ( Responsiveness )
4)車架操控性 ( Handling )
5)車架穩定性 ( Stability )
6)車架力量傳導度 ( Power transmission )

下列是這兩種車架的比較表

碳纖維材質(非一體成型車架,即接頭式) 級數 適合騎乘距離
車架舒適度 *** 中程距離以下
車架堅硬度 ****** 中長程距離
車架反應度 ***** 全距離
車架操控性 **** 全距離
車架穩定性 ***** 全距離
車架力量傳導度 ***** 全距離(短距離特佳)

碳纖維材質(一體成型車架) 級數 適合騎乘距離
車架舒適度 ***** 全距離
車架堅硬度 ***** 全距離
車架反應度 ***** 全距離
車架操控性 ****** 全距離
車架穩定性 ****** 全距離
車架力量傳導度 ***** 全距離


總之以舒適度、操控性及穩定性來說一體成型車架評價很高，難怪藍斯.阿姆斯壯會捨去其他品牌給與超過Trek的優渥代言金而獨鐘愛Trek的OCLV科技產品了。也更難怪近幾屆奧運場地賽金牌皆是碳纖維一體成型車架的天下。另外值得一提的是碳纖維材質吸震的能量不僅是用在自行車車架而已，目前當紅的F1方程式賽車及2005年最新推出Mercedes-Benz SLR McLaren轎跑車的車頭結構，即配備了二根長620公釐，以碳纖維製成的縱樑。在迎面撞擊時，這些縱樑能吸收全部的碰撞能量，大部分的乘坐空間不會被損壞。

希望借由以上的說明能讓個位更了解碳纖維車架的優點，及更了解到如何用您有限的力量透過碳纖維材料的優點延伸出無限的速度。

另外 2005年度最佳設計-組合式碳纖維車架 A REAL MASTER PIECE也順便介紹一下

不愧是義大利人的設計 ，有工匠氣息又有前衛感覺， 這也是我看過一體成型車架最好的設計了。 她綜合了纏繞成型及
熱壓成型的特點及優點，不但輕，強，又有好的吸震效果。
如果能在走線的方面補強用內線 ，那麼這台車將是自行車歷史上經典車款 。
畢竟能把自行車做到放在歷史博物館展覽陳列的先鋒，也只有義大利人了。

想看它是如何組合的嗎?網址: http://www.columbustubi.com/
本文摘錄自http://www.biker.com.tw網站/