碳纤维自行车的发展与展望

碳纤维自行车的发展与展望

高谱祥

广州市银三环机械有限公司广东广州510800

摘要：碳纤维因其许多优异的性能，已经被广泛应用于军用和民用领域，碳纤维自行车就是其典型代表之一。介绍了碳纤维材料自行车的特点，综述了碳纤维自行车的兴起、现状和发展趋势。

关键词：碳纤维；复合材料；自行车

随着自行车制造材料的革新，其力学结构、工艺造型、机械构造等也不断迭代，更推动着自行车性能提高和功能增加。当今，自行车已经从最初代步的交通工具，拓展为健身、竞赛器材以及休闲娱乐用品。特别是碳纤维在自行车制造中广泛的应用，给自行车产业带来全新的革命。

一、碳纤维自行车的特点

1.质量轻、操纵性好

碳纤维复合材料的密度仅为钢的20%，铝的50%，理论上讲，碳纤维自行车比钢或铝金属材料自行车质量减轻30%，有效骑行力增加45%以上。最轻的碳纤维车架可以做到0.7kg以内，竞技碳纤维自行车质量仅有7～8kg，但铝合金车架质量很难低于1kg，因此，碳纤维自行车有更好的机动性能和加速性能。

2.安全性高

碳纤维抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的4倍以上，可以承受极大的力学冲击；与金属材料相比，其具有很好的断裂韧性和良好的抗疲劳性，而且即使断裂也是从基质开始，具有可视性。这些都大大提高了自行车骑乘的安全性。

3.舒适性好

碳纤维弹性模量接近铝合金弹性模量的3倍，受力之后的弹性形变小，自振频率高，不易出现共振，良好的共振阻尼，提高了自行车的减震能力。碳纤维复合材料构件不易变形，且刚性高，力的传导性好，使得碳纤维车架踩起来更“硬”，使车手骑行更好“发力”、更省劲，有路感。

4.抗逆性强

碳纤维复合材料对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，完全不存在生锈的问题。当然，碳纤维径向的强度很小，碳纤维复合材料车架或零件抗尖锐物冲击能力较差。另外，作为复合材料基体的树脂受阳光直射易于老化。随着科技的进步，相信碳纤维自行车这些不足将会不断得到优化改进。

二、碳纤维自行车的兴起与发展

1.国外碳纤维自行车的发展

1980年代初期，随着碳纤维价格的降低以及生产工艺的不断改进，碳纤维自行车始得以推广应用。1980年，法国TVT公司第一次真正将碳纤维复合材料车架商品化。1984年，在洛杉矶奥运会上，率先使用碳纤维自行车的美国自行车队一举夺魁，获得5块金牌，这大大推动了碳纤维自行车研发与应用进程。1986年，法国Look公司利用TVT公司生产的碳纤维管体制造出具有实用意义的碳纤维自行车架，并于1988年制造出世界首批量产的碳纤维车架KG86。1990年，日本宫田工业公司以碳纤维作车架推出ARC1000型跑车和RDC1000型平车两种型号自行车，这两种型号自行车的质量比铬钼钢架型自行车轻50%，强度高1.6倍。1990年，Look公司制造出世界上第一台一体式碳纤维车架。1995年，Look公司又制造出世界上第一台全碳纤维车架（包括转向杆）。

欧美等发达国家一直把控着碳纤维自行车零部件研发制造的关键工艺和核心技术。如今，一种由碳原子以sp2杂化连接成蜂窝状单原子层平面薄膜的二维碳材料—石墨烯正引领着碳纤维自行车向更新的方向发展。国际轮胎生产商意大利的Vittoria公司公布了由石墨烯增强复合材料制造的自行车竞赛车轮-Qurano系列，车轮性能提高了10%～30%；英国自行车厂商Dassi公司制造出了质量仅500g的全世界第一辆含有石墨烯的车架Interceptor，车架的抗剪强度和抗断裂韧性分别提高了70%和50%。

2.国内碳纤维自行车的发展

在我国，台湾地区的自行车制造企业捷安特（Giant）与台湾材料研究室（MRL）从1985年开始积极投入碳纤维自行车的研究与设计，他们在不长的时间内就成功地开发出了一种新颖的碳纤维自行车架，铝合金压注接头胶接，并在1987年成立专门制造复合材质的C-TECH生产中心。1988年，捷安特公司开始批量生产联合开发的碳纤维自行车架，并组装整车上市，这使捷安特一举成为世界著名品牌，畅销美国、日本、澳大利亚和原欧洲共同体国家（现欧盟），年销量在1×106辆以上，在全球碳纤维自行车市场占领60%份额。1993年，联合开发出整体碳纤维自行车构架，使台湾自行车工业发展上了一个新台阶，台湾的自行车产业得到稳步发展，并成为世界自行车行业发展的主要领跑者之一。21世纪初，台湾的自行车生产量逐年减少，而且出口量也由1998年的9.93×106辆减少至2003年的3.38×106辆。2003年，台湾自行车A-Team联盟成立，将松散的生产厂商联合起来，整合技术优势、扩大生产规模，和与国际大企业相对抗，实现企业间的集群协同发展，台湾高端和休闲精品自行车的共同品牌形象在全球自行车行业中树立起来。

在大陆，1993年天津飞鸽自行车（集团）公司和北京环航复合材料公司联合投资开发了粘接型碳纤维自行车。同年底，深圳中华自行车公司自筹资金建厂生产自行车用碳纤维管，研制出可焊接碳纤维管自行车。21世纪初，大陆吸引了包括日本岛野公司在内的境外自行车厂商以及台湾本土多家自行车厂商投资办厂，江苏、广东、天津、山东等省市的一些企业适应市场变化，主动进行产品结构调整和转型升级，成为专注生产中高档碳纤维自行车的厂家，国内碳纤维自行车生产量快速增加，成为世界新的自行车主要供应基地。同时，世界一些最知名的自行车制造商纷纷前来中国开店，特别是捷安特和美利达在大陆的销量势头强劲。连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司自2010年建立以来，一直专注生产碳纤维自行车车架和整车，现在年生产车架4×104～5×104只/a，其中大多是OEM（OriginalEquipmentManufacturer，定点生产）产品，自用约20%～25%组装整车上市，其“ZGL”自主品牌得到消费者的广泛认可。从技术角度来说，我国碳纤维自行车工厂（包括台商独资及合资企业）的制造水平已经很高，许多国外品牌由国内工厂委托加工。但是，在零部件研发与制造等碳纤维自行车生产的关键工艺和核心技术方面，与发达国家相比还有一定的差距，零部件标准化程度相对较低、研发能力不足，产品基本处于中、低档次水平，而且同质化严重等问题明显。

三、碳纤维自行车展望

碳纤维自行车由于其质量轻、操纵性好、安全性高、舒适性好、抗逆性强、造型美观等诸多优点，革命性地改变了整个自行车业界，引领世界自行车的发展。不论是作为构成自行车最基本结构体的车架、有相当技术难度的轮组还是零部件，都将碳纤维材料作为高端产品的首选用料。在自行车竞技赛中，意大利的库内戈（DamianoCunego）于2004年使用Cannondale公司推出的CAAD8拿下环意总冠军后，铝合金车架就很难出现在任何专业级的比赛中了。随着碳纤维材料成本的不断降低，碳纤维自行车部件制造工艺和技术的不断创新和发展，碳纤维自行车不仅在造型上更加简洁、轻盈、美观、多样化、个性化和人性化，其售价也不断降低，已经由数十万元一辆，发展到数千元一辆，达到大众接受的程度。特别是石墨烯的加入，碳纤维复合材料的更轻的车架和轮组、更安全的轮圈刹车系统、更轻便的高性能电子变速系统将陆续问世。可以预测，碳纤维自行车具有广阔的市场，围绕碳纤维自行车的自行车文化将风靡世界，蔚为风气。

参考文献：

[1]捷安特.解密捷安特碳纤维自行车[J].中国自行车，2013，（9）：28-29.

[2]王殊，师春生，赵乃勤，等.自行车车架材料以及镁合金的应用[J].材料导报，2006，（8）：87-89.

[3]严备战.碳纤维复合材料在自行车上的应用—TRIACE（骓驰）中国区总经理严备战的演讲[J].中国自行车，2010，（9）：12.