前言

        自1791年法國(guó)人西弗拉克發(fā)明了木制自行車以來(lái)，歷經(jīng)200多年的發(fā)展，自行車不僅是交通和運(yùn)輸工具，還具有健身、旅游和競(jìng)賽等多種功能。隨著自行車的誕生也興起了自行車運(yùn)動(dòng)。至今各類自行車比賽多達(dá)幾百個(gè)，其中尤以誕生于1903年的環(huán)法自行車大賽最為著名。

       環(huán)法賽是世界影響最廣、規(guī)模最大、比賽水平最高、最著名的自行車賽事，約為3900公里的行程是對(duì)車手耐力極大的考驗(yàn)。天賦、訓(xùn)練、比賽日保持良好體能，這些都是讓車手們到達(dá)終點(diǎn)線關(guān)鍵的先決條件。此外，另外一個(gè)先決條件就是良好的設(shè)備。以PMI硬質(zhì)泡沫作為芯材，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）作為面板的結(jié)構(gòu)組合，是目前自行車輪圈理想的材料選擇。自2005年起，位于德國(guó)腓特烈港的Carbonsports就一直依賴于PMI硬質(zhì)泡沫（ROHACELL®）作為芯材來(lái)制造世界頂級(jí)性能的品牌為L(zhǎng)ightweight自行車輪圈。許多運(yùn)動(dòng)員都采用Lightweight車輪征戰(zhàn)環(huán)法自行車賽，并將黃色騎衫收入囊中。

 

       世界上很多著名的自行車輪圈，如Zipp、Corima、Hed等均使用PMI硬質(zhì)泡沫夾層碳纖維復(fù)合材料制成，不僅使自行車外觀更具美感，同時(shí)也賦予了車體良好的剛性，穩(wěn)定性和耐疲勞性。車體重量進(jìn)一步下降，騎乘舒適性更好。因此一經(jīng)研制成功，便被用作專門的比賽用輪圈。


自行車輪圈對(duì)材料的要求

       自行車車輪要兼具四大目標(biāo)：車輪剛性，重量，穩(wěn)定性和耐疲勞性。碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，比強(qiáng)度和比模量分別是鋼材的7-12倍和3-5倍。突出的比強(qiáng)度和比模量，使其可用來(lái)制造輕而強(qiáng)和剛而堅(jiān)的各種制品，特別適合于制作具有重量和剛性要求的輪圈。下面比較幾種常見結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能。

       碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在其制成復(fù)合材料經(jīng)過(guò)百萬(wàn)次循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)后，其強(qiáng)度保留率仍可達(dá)60%，而鋼材為40%，鋁材為30%。耐疲勞強(qiáng)度高，使得輪圈的使用壽命更長(zhǎng)。

 

       碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料最大的區(qū)別就是具有各向異性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)具有很大的自由度，通過(guò)這種“自由”的設(shè)計(jì)以滿足自行車車輪的需求。如碳纖維復(fù)合材料的鋪層角度0°時(shí)具有最高的縱向拉伸強(qiáng)度和模量，45°時(shí)具有最高的扭曲剛性、剪切強(qiáng)度和良好的阻尼減震性能，因此，可以通過(guò)不同的鋪層設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到輪圈的承力效果。

      此外，用低密度輕質(zhì)泡沫作為芯材，和碳纖維面板一起作為夾層結(jié)構(gòu)，可以在重量增加很少的前提下，大幅度提高結(jié)構(gòu)剛度，并增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。


碳纖維自行車輪圈的結(jié)構(gòu)形式及成型工藝

       碳纖維自行車輪圈根據(jù)輪胎的不同可分為鉗式（Clincher）和管式（Tubular）。按照輻條的情況又可分為普通輻條輪圈、刀輪和碟輪。無(wú)論哪種輪圈根據(jù)其截面結(jié)構(gòu)又可分三種：中空碳纖維結(jié)構(gòu)、半中空夾層碳纖維結(jié)構(gòu)及全夾層碳纖維結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)形式的碳纖維輪圈將采用不同的成型工藝，見表1。下面將一一介紹。

 

中空碳纖維結(jié)構(gòu)輪圈

      80年代初，最早由臺(tái)灣人發(fā)明，主要用保麗龍加氣袋纏繞預(yù)浸料，待溫度到達(dá)80℃，保麗龍開始收縮后，便開始充氣，加氣壓至7-9bar，成型完后保麗龍?jiān)谔祭w維輪圈打孔時(shí)倒出，氣袋則留在里面，氣袋約為50g。

      因氣袋法發(fā)展最成熟，故目前這是自行輪圈最常見的形式。但氣袋法缺點(diǎn)是，碳纖維預(yù)浸料固化過(guò)程中容易刺破氣袋，碳纖維紗線易彎曲，導(dǎo)致力學(xué)性能大幅度下降。此外，當(dāng)自行車急速剎車時(shí)，在輪圈剎車區(qū)域產(chǎn)生高達(dá)200℃的溫度易使碳纖維復(fù)合材料變軟，長(zhǎng)此以往導(dǎo)致碳纖維板分層。

要提高中空碳纖維結(jié)構(gòu)輪圈的耐熱溫度，目前有以下幾種途徑：

    （1）提高碳纖維預(yù)浸料所用環(huán)氧樹脂體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而提高其耐熱性。可以選用耐熱性好的環(huán)氧樹脂、固化劑和促進(jìn)劑。環(huán)氧樹脂如脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、雙酚S環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂、多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅環(huán)氧樹脂。耐高溫固化劑如芳香族固化劑。同時(shí)固化時(shí)配比要合理，固化時(shí)升溫采用逐步升溫，后固化溫度高一點(diǎn)，時(shí)間長(zhǎng)一些，耐熱性會(huì)有所提高。

    （2）為了提高剎車區(qū)域的耐溫性能，市面上常見的是在輪圈的剎車區(qū)外周面設(shè)一層具有耐磨，低導(dǎo)熱及散熱特快特性的鋁金屬輪圈或保護(hù)片，使進(jìn)行剎車時(shí)，剎車片直接與保護(hù)片接觸，兩者不會(huì)直接接觸，且摩擦產(chǎn)生的高熱不會(huì)直接傳導(dǎo)至輪圈。但是對(duì)于比賽選手而言必須頻頻更換剎車片，并非最佳使用方法。此外還有在剎車區(qū)域表面涂耐高溫陶瓷。

       增加中空碳纖維結(jié)構(gòu)輪圈的結(jié)構(gòu)剛度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性另外一種途徑是在中間填充低密度的輕質(zhì)泡沫芯材。

泡沫夾層碳纖維結(jié)構(gòu)輪圈

       泡沫夾層結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)度的蒙皮與低密度輕質(zhì)芯材組成的一種結(jié)構(gòu)材料。加入芯材的目的是維持兩面板之間的距離，可以在重量增加很少的前提下，使夾層面板截面的慣矩和彎曲剛度增大，大幅度提高結(jié)構(gòu)剛度。

      半中空夾層碳纖維結(jié)構(gòu)和全夾層碳纖維結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為泡沫夾層碳纖維結(jié)構(gòu)輪圈。半中空夾層碳纖維結(jié)構(gòu)只在剎車區(qū)域用泡沫填充增強(qiáng)，工藝上采用氣袋法和模壓法相結(jié)合。全夾層碳纖維結(jié)構(gòu)用模壓法成型，結(jié)構(gòu)剛性最好。

      自行車輪圈里的泡沫夾層芯材多為ROHACELL®硬質(zhì)泡沫和聚氨酯泡沫，密度在29-52kg/m3范圍。聚氨酯泡沫多采用模內(nèi)發(fā)泡工藝，密度大約30kg/m3，價(jià)錢便宜，但是發(fā)泡密度很難發(fā)到均勻，中心密度低，表皮密度高，內(nèi)部缺陷也大，力學(xué)性能也差，用久了以后導(dǎo)致內(nèi)部開裂，泡沫碎掉，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候能聽到吱吱聲。
      ROHACELL®是一種100%閉孔均勻的剛性聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫，在同等泡沫密度中，它具有最高的比強(qiáng)度和比剛度，熱變形溫度高達(dá)180-240℃。

     （1）在輪圈設(shè)計(jì)階段，ROHACELL®泡沫是一種結(jié)構(gòu)性芯材，可以作為受力單元在夾層結(jié)構(gòu)中起到結(jié)構(gòu)功能，提高輪圈碳纖維蒙皮的穩(wěn)定性，減少1-2層碳纖維預(yù)浸料，減輕輪圈重量，提高產(chǎn)品附加值。

    （2）在鋪層過(guò)程中，經(jīng)過(guò)機(jī)加或者熱成型的泡沫芯材起到芯模的作用，使碳纖維預(yù)浸料鋪層平順，提高碳纖維蒙皮的力學(xué)性能。

    （3）在固化階段，ROHACELL®泡沫可能能夠承受高溫。泡沫芯材具有一定的過(guò)盈量，也就是說(shuō)芯材尺寸略大于模腔尺寸，固化時(shí)，ROHACELL®泡沫芯材可以提供足夠的反壓力，使碳纖維復(fù)合材料蒙皮的固化更加密實(shí)。

    （4）ROHACELL®泡沫還具有良好的耐疲勞性能，在使用過(guò)程中，它與CFRP面板可以長(zhǎng)期牢固結(jié)合，是制作自行車輪圈的理想芯材。

      前文提到的世界著名復(fù)合材料自行車輪圈生產(chǎn)商，如Corima、Lightweight、Zipp、Hed等等，其輪圈就采用了半中空夾層碳纖維結(jié)構(gòu)和全夾層碳纖維結(jié)構(gòu)，并采用贏創(chuàng)集團(tuán)生產(chǎn)的ROHACELL®泡沫為芯材。

 

小結(jié)

       綜上所述，要提高中空碳纖維輪圈的耐熱性和結(jié)構(gòu)剛度。可以采用耐熱的環(huán)氧樹脂體系，選用耐熱性好的環(huán)氧樹脂、固化劑和促進(jìn)劑，同時(shí)固化時(shí)配比要合理，固化時(shí)間也要合理。亦可采用高比強(qiáng)度和比模量，耐溫高達(dá)180-240℃的ROHACELL®泡沫作為芯材，制成高品質(zhì)的夾層結(jié)構(gòu)輪圈。