碳纤维自行车架生产工艺与发展

碳纤维自行车架生产工艺与发展
[摘要]随着我国经济的持续快速发展，碳纤维的市场需求与日俱增，发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。

碳纤维是一种含碳在90%以上的新型纤维材料。

它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，它除了具有一般碳素材料的特性：耐高温，耐摩擦，导电，导热及耐腐蚀性等，其外形有显著的各向异性，柔软，可加工成各种织物，又由于比重小，沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现在结构材料中是最高的，碳纤维的成型方式主要有：手糊成型、喷射成型工艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、树脂传递模塑成型又称RTM、挤压成型工艺、注射成型工艺。

碳纤维自行车架所采用的成型方式为树脂传递模塑成型。

[关键词]经济；碳纤维；自行车架；树脂传递模塑成型
1 碳纤维的特性与功能
1.1 碳纤维和其他补强材的机械性能比较
复合材料的补强材料有玻纤、碳纤、硼纤、碳化矽、铝、芳香族的等各种相位，在选用补强材料时，首先是根据抗拉强度和抗拉弹性系数加以决定，对航空、航天等机具，重量对其性能影响极大，也就是轻强度特性极为重要，强度和弹性系数分别除以比重的比强度和比弹性大者，是航太工业所追求的材料，玻纤的弹性系数为70～80GPa，东洋纺织公司所开发的可达，硼、碳化矽、氧化铝等无机纤维的弹性系数为200～400GPa，碳纤维为不等。

1.2 不同类碳纤维的性能比较
碳纤维是由六个具有SP2轨道的碳原子构成平面则会形成和石墨类似的结晶构造，结晶若沿着纤维轴理论强度为180GPa，理论弹性系数为1020GPa，目前碳纤维实测强度以结晶（whiskwer）的21GPa最高，弹性系数则以UCC公司Pitch类碳纤维试验品的965GPa最高。

1.3 碳纤维复合材料的优点
碳纤维相对于传统的金属材料有诸多优点，首先它的强度和弹性系数以及疲劳强度都很高、比重小、潜变小；比金属的震动衰减性好；耐摩耗性佳，摩擦系数小，极低温度下的热传导性小；具有导电性但为非磁性体，热的扭安定性良好；X光射线的透过性大，具有电波的遮蔽性，耐腐蚀及耐化学性的巨大优势。

1.4 碳纤维复合材料的缺点
①破坏伸度小，有剪断或钻孔时，静力强度就会大幅度下降，而且耐冲击强
度低；②和纤维方向相比，非纤维方向及层间的物性低落，在最后破坏前和纤维方向成90度的横方向会龟裂，受冲击时会产生层间剥离，因此受冲击后残存强度低落；③在吸湿情况下，高温时的物性低落；④应力计算复杂，碳沿纤维轴方向表现出很高的强度，在车架制作过程中要考虑到各个方向的受力分析，并根据这个方向的受力来设计各个角度纤维的走向；⑤价格昂贵，碳纤维原料价格较高而且在制作过程中很多工艺流程都是需要手工制作的，制作出来的产品报废率较高，这就直接决定了碳纤维自行车架的价格。

2 碳纤维自行车架的成型工艺
碳纤维自行车架所采用的成型方式为树脂传递模塑成型，其成型流程大体分为六道工艺：纤维织纱、管件贴合、管件成型、机床加工、管件拼接、表面处理。

①纤维织纱是将纤维拉直并预浸在调配好的树脂中，结合一定的纺织工艺将纤维编制成纱板附着在离型纸上，形成纱片，现在所用的纸板有hot-melt织板和solvent织板；按照其应用不同又分为碳纱、玻纱、碳布、玻布、UD仿碳布；由于自行车架各个管件的受力不同，其纱板又分为各种角度，各角度纱的用途也是各异的：如果受力是拉伸的话用低角度纱；如果受力是剪切的话用高角度纱；如果是补强剪切口的纱用45度纱和碳布；补强刚性用0度纱。

②管件贴合是将不同角度和类别的纱片依照车架各个部位管件受力不同设计出来的贴合标准贴在类似于车架管件的芯轴上面，管件形状和大小，管件里面要装上风管。

贴成自行车架的各个管件由于车架受力不同，有的管件贴合的时候所需要的纱片数量较多，避免在高强度运行时出现断裂。

③管件成型是将贴合好的管件放在模具型腔中结合风压油压模压三者的压力（在保持不出现异常的前提下，压力越大越好），使材料完全贴附于模具壁，树脂在高温度高压力的作用下均匀流动并分布在产品表面，加热一段时间后使产品固化成型，然后进行冷却，最终开模达到所需产品的外形。

④机床加工是将成型好的管件通过不同的治具夹具固定在不同机床上进行尺寸外形和钻孔的加工，主要用到的加工方式有取长（将成型后的管件余量切削掉达到车架管件所需的尺寸）、切弧（将管件接口处切割成弧形方便后面管件的拼接）、铰孔（对管件内外径加工达到其拼接时所需的尺寸）。

⑤管件拼接是将加工完成后的管件通过一定的治具连接在模架上组合成车架，并在管件接头处补一些纱料，辅助各种胶在高温下加热一段时间后让组合好的车架物性更加稳定（现在很多碳纤维车架都采用一体式的成型工艺，这种工艺性能更加稳固）。

⑥表面处理即将组合好的车架进行表面打磨抛光处理，去除毛刺，然后按照设计要求贴水标喷漆。

3 碳纤维的发展
碳纤维属高新技术、高附加值产品，具有其他材料不可比拟的优异性能，具有广泛的用途和良好的发展前景。

因此，针对当前现状，必须加快我国碳纤维发展进程。

制订我国碳纤维发展的总体规划，考虑国内研制与国外引进相结合。

碳纤维是一种可以形成庞大产业带的基础产品，并随其成本的降低而在金属、陶瓷、玻纤等材料的传统应用领域得到广泛应用。

同时因其高科技含量，又可在一定时期形成相对垄断产品。

因此，碳纤维及其复合材料的开发，可为企业带来长期、
稳定的投资收益，是大企业较好的投资方向；开发低成本碳纤维技术，特别是采用一般纺织用PAN原丝生产工业级碳纤维和开发大丝束碳纤维。

碳纤维的价格是限制其推广应用的制约因素，降低碳纤维价格的关键是采用一般纺织用PAN 原丝生产工业级碳纤维和大丝束碳纤维，我国必须突破这些关键技术；解决碳纤维生产厂家小而散的问题，以提高竞争力。

像日本3家碳纤维公司的总产能占世界的75%，而我国十几个厂家，每家最多100t/a级，这样无法与国外竞争。

2013年，日本东丽公司以及韩国新投产的两家碳纤维企业，均瞄准了中国市场，将不断增加对我国出口份额，这对于国内企业和产品形成重压，与此同时国内外新投产装置继续形成产能释放压力，而下游需求增长乏力，难以在本年度形成明显增量。

波音、空客的大飞机尚存在问题，产量受到影响，日本碳纤维产品在该领域的应用进而受到影响，预计会增加对中国市场的销量。

其他如韩国等国家，也把市场目标锁定在需求旺盛的中国，加重了中国市场压力。

而且有数据显示，2013年1月国内碳纤维及制品进口总量1054吨，较2012年12月增加225吨，环比增幅27.1%；同比增加486吨，增幅85.6%。

目前中高端产品中，只有中复神鹰、江苏恒神、中钢江城有产量。

我国市场供应仍以台丽、土耳其、东丽等进口产品及中复神鹰为主。

由此可以看出，国外产品市场份额正在增加，蚕食国内市场。

面对进口产品咄咄逼人之势，我国碳纤维行业尤其要在高端产品上奋起直追，替代进口。

因为技术等原因，我国碳纤维市场低端领域过剩，而高端领域严重不足。

随着全国掀起碳纤维项目建设热潮，低档碳纤维产品的产量日趋饱和。

市场无法承载过量的产品，价格从每吨14万元下降到目前的10万元左右，一些企业利润空间不断被挤压。

2012年国外一些公司纷纷下调碳纤维价格进行倾销，抢占中国市场，对我国产品形成巨大冲击，导致企业效益倒挂，开工率下降或者停产，产业受到重创。

2013年以来这些国外企业又开始调高价格，下游企业不得不被动接受。

由于高端市场受制于人，国内市场“吃不饱”现象仍非常明显。

国际对高端产品，尤其是应用于军事、航空航天的产品实施封锁，国内研究处于试验阶段，无法量产，导致这些领域产品空白，下游无米下锅。

目前国产货市场价格主要参照进口货来确定。

因为进口货尤其是日本货，质量优势明显，价格也很具竞争力，我国碳纤维产品毫无优势可言。

如果想走出低谷，须从做大做强产业开始，在技术和产品规模等方面奋起直追，形成与国外产品平分秋色的局面。

为应对进口产品的冲击，政府应进一步规范碳纤维产品进出口关税、出口退税及加工贸易政策，优化进出口产品结构；完善产业损害预警机制，依法运用贸易救济措施，维护公平贸易秩序；积极应对国际贸易中可能出现的倾销、补贴等不正当竞争，维护我国碳纤维行业安全。

碳纤维是21世纪的新兴功能性纤维，其独特的纤维特性和先进的生产方法决定了碳纤维产品在航空航天、土木建筑、体育医疗、电子通信、运用休闲等领域有着广阔的应用前景。

我们应不断开发新产品，并推向市场，提高我国碳纤维产品在国际市场的竞争力，在经济全球化的今天，需要我们积极思考、妥筹善策，沉着应对，充满信心地迎接我国碳纤维行业的快速发展。

参考文献：
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