碳纤维复合材料在自行车工业的运用
By www.carbonfiber.com.cn
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： LOOK KG 585、 KG 481SL、TREK OCLV 55 "MADONE SSL"、TREK OCLV 110 "LIVESTRONG 6"
(b) 高模量（HM）碳纤维如：LOOK KG 486、 KG 386i、TREK "MADONE 5.2" "PILOT 5.2"
(c) 超高强度（UHS）碳纤维如：LOOK KG 461
(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）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(Carbon Fiber)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(Mold)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 不鼓励滥垦滥伐) 当时还是以玻纤/高分子复材為主，到了1960年代碳纤／高分子复材才逐步取代木材及合金，成為游艇、汽车、航太等的必备材料，近年来由於地球温暖化的问题，森林的保护成為全球课题，高分子复合材料取代木材将更為彻底的被执行，因此复合材料的发展特徵就是取代既有植物和矿物的加工製品，并展现出更优异的化性和物性。但是科技永远只是科技，它虽然取代了木材及合金，但却新製造了一个环境保护的问题。因為许多高分子复合材料像碳纤维,克拉纤维等等皆是千年不朽万年不腐的。各位可以想像一下我们的地球是否可以容纳这麼多的科技垃圾，以及我们的子子孙孙们会怎样来為这当红科技收拾其带来的环保问题。举例来说以目前的科技尚无法有效的解决塑胶材料带来的环保问题，更何况目前高分子复合材料尚未被环保人士抬上桌面去讨论及大声疾呼的禁止。
其实不只玻璃纤维，碳纤维，和克拉纤维皆是有害环保的。1967年的硼纤维及1980年代的PEEK纤维(对不起喔我也没看过这玩意儿)皆是对环境有伤害的。从最近一项研究资料显示全球一年生產的高分子复合材料约在550 – 600万公吨。现在知道可怕了吧！
说了这麼多，还是回到我们的主题吧！现在我要介绍一些图片让大家更了解碳纤维复合材料是如何製作各种自行车零件的。
step1 裁剪碳纤维材料
step2 碳纤维材料组合及入模热压 (就是这个工艺把碳纤维成型变硬)
step3-1 碳纤维成型后去除毛边
step3-2 去除毛边后补土修饰
step4 涂装
step5 组装座管成品
step6 车架后上叉及下叉上胶
step7 切除多餘长度
step8 车架品检
step9 车架胶合后检验
制品标准体系
这也是我最常遇到的问题，到底是用缠绕成型法的碳纤维管加接头(lug)的碳纤维车架好呢？
还是以热压成型的碳纤维车架(一体成型车架)好呢？
我们可以从下列角度去思考:
1)车架舒适度 ( Comfort 也可比喻成吸震度 )
2)车架坚硬度 ( Stiffness )
3)车架反应度 ( Responsiveness )
4)车架操控性 ( Handling )
5)车架稳定性 ( Stability )
6)车架力量传导度 ( Power transmission )
下列是这两种车架的比较表
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
碳鲜维材质(非一体成型车架即接头式) 级数 适合骑乘距离
车架舒适度 *** 中程距离以下
车架坚硬度 ****** 中长程距离
车架反应度 ***** 全距离
车架操控性 **** 全距离
车架稳定性 ***** 全距离
车架力量传导度 ***** 全距离(短距离特佳)
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
碳纤维材质(一体成型车架) 级数 适合骑乘距离
车架舒适度 ***** 全距离
车架坚硬度 ***** 全距离
车架反应度 ***** 全距离
车架操控性 ****** 全距离
车架稳定性 ****** 全距离
车架力量传导度 ***** 全距离
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
总之以舒适度、操控性及稳定性来说一体成型车架评价很高，难怪蓝斯-阿姆斯壮会舍去其他品牌，唯独钟爱Trek的OCLV科技产品了。也更难怪近几届奥运场地赛金牌皆是碳纤维一体成型车架的天下。另外值得一提的是碳纤维材质吸震的能量不仅是用在自行车车架而已，目前当红的F1方程式赛车及2005年最新推出Mercedes-Benz SLR McLaren轿跑车的车头结构，即配备了二根长620公釐，以碳纤维制成的纵梁。在迎面撞击时，这些纵樑能吸收全部的碰撞能量，大部分的乘坐空间不会被损坏。
希望借由以上的说明能让个位更了解碳纤维车架的优点，及更了解到如何用您有限的力量透过碳纤维材料的优点延伸出无限的速度。
另外2005年度最佳设计 – 组合式碳纤维车架 A REAL MASTER PIECE也顺便介绍一下不愧是义大利人的设计 ，有工匠气息又有前卫感觉， 这也是我看过一体成型车架最好的设计了。它综合了缠绕成型及热压成型的特点及优点，不但轻、强，又有好的吸震效果。
如果能在走线的方面补强用内线 ，那么这台车将是自行车歷史上经典车款 。毕竟能把自行车做到放在历史博物馆展览陈列的先锋，也只有义大利人了。
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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： LOOK KG 585、 KG 481SL、TREK OCLV 55 "MADONE SSL"、TREK OCLV 110 "LIVESTRONG 6"
(b) 高模量（HM）碳纤维如：LOOK KG 486、 KG 386i、TREK "MADONE 5.2" "PILOT 5.2"
(c) 超高强度（UHS）碳纤维如：LOOK KG 461
(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）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(Carbon Fiber)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(Mold)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 不鼓励滥垦滥伐) 当时还是以玻纤/高分子复材為主，到了1960年代碳纤／高分子复材才逐步取代木材及合金，成為游艇、汽车、航太等的必备材料，近年来由於地球温暖化的问题，森林的保护成為全球课题，高分子复合材料取代木材将更為彻底的被执行，因此复合材料的发展特徵就是取代既有植物和矿物的加工製品，并展现出更优异的化性和物性。但是科技永远只是科技，它虽然取代了木材及合金，但却新製造了一个环境保护的问题。因為许多高分子复合材料像碳纤维,克拉纤维等等皆是千年不朽万年不腐的。各位可以想像一下我们的地球是否可以容纳这麼多的科技垃圾，以及我们的子子孙孙们会怎样来為这当红科技收拾其带来的环保问题。举例来说以目前的科技尚无法有效的解决塑胶材料带来的环保问题，更何况目前高分子复合材料尚未被环保人士抬上桌面去讨论及大声疾呼的禁止。
其实不只玻璃纤维，碳纤维，和克拉纤维皆是有害环保的。1967年的硼纤维及1980年代的PEEK纤维(对不起喔我也没看过这玩意儿)皆是对环境有伤害的。从最近一项研究资料显示全球一年生產的高分子复合材料约在550 – 600万公吨。现在知道可怕了吧！
说了这麼多，还是回到我们的主题吧！现在我要介绍一些图片让大家更了解碳纤维复合材料是如何製作各种自行车零件的。
step1 裁剪碳纤维材料
step2 碳纤维材料组合及入模热压 (就是这个工艺把碳纤维成型变硬)
step3-1 碳纤维成型后去除毛边
step3-2 去除毛边后补土修饰
step4 涂装
step5 组装座管成品
step6 车架后上叉及下叉上胶
step7 切除多餘长度
step8 车架品检
step9 车架胶合后检验
制品标准体系
这也是我最常遇到的问题，到底是用缠绕成型法的碳纤维管加接头(lug)的碳纤维车架好呢？
还是以热压成型的碳纤维车架(一体成型车架)好呢？
我们可以从下列角度去思考:
1)车架舒适度 ( Comfort 也可比喻成吸震度 )
2)车架坚硬度 ( Stiffness )
3)车架反应度 ( Responsiveness )
4)车架操控性 ( Handling )
5)车架稳定性 ( Stability )
6)车架力量传导度 ( Power transmission )
下列是这两种车架的比较表
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碳鲜维材质(非一体成型车架即接头式) 级数 适合骑乘距离
车架舒适度 *** 中程距离以下
车架坚硬度 ****** 中长程距离
车架反应度 ***** 全距离
车架操控性 **** 全距离
车架稳定性 ***** 全距离
车架力量传导度 ***** 全距离(短距离特佳)
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碳纤维材质(一体成型车架) 级数 适合骑乘距离
车架舒适度 ***** 全距离
车架坚硬度 ***** 全距离
车架反应度 ***** 全距离
车架操控性 ****** 全距离
车架稳定性 ****** 全距离
车架力量传导度 ***** 全距离
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总之以舒适度、操控性及稳定性来说一体成型车架评价很高，难怪蓝斯-阿姆斯壮会舍去其他品牌，唯独钟爱Trek的OCLV科技产品了。也更难怪近几届奥运场地赛金牌皆是碳纤维一体成型车架的天下。另外值得一提的是碳纤维材质吸震的能量不仅是用在自行车车架而已，目前当红的F1方程式赛车及2005年最新推出Mercedes-Benz SLR McLaren轿跑车的车头结构，即配备了二根长620公釐，以碳纤维制成的纵梁。在迎面撞击时，这些纵樑能吸收全部的碰撞能量，大部分的乘坐空间不会被损坏。
希望借由以上的说明能让个位更了解碳纤维车架的优点，及更了解到如何用您有限的力量透过碳纤维材料的优点延伸出无限的速度。
另外2005年度最佳设计 – 组合式碳纤维车架 A REAL MASTER PIECE也顺便介绍一下不愧是义大利人的设计 ，有工匠气息又有前卫感觉， 这也是我看过一体成型车架最好的设计了。它综合了缠绕成型及热压成型的特点及优点，不但轻、强，又有好的吸震效果。
如果能在走线的方面补强用内线 ，那么这台车将是自行车歷史上经典车款 。毕竟能把自行车做到放在历史博物馆展览陈列的先锋，也只有义大利人了。
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