前言

        自1791年法國人西弗拉克發明了木制自行車以來，歷經200多年的發展，自行車不僅是交通和運輸工具，還具有健身、旅游和競賽等多種功能。隨著自行車的誕生也興起了自行車運動。至今各類自行車比賽多達幾百個，其中尤以誕生于1903年的環法自行車大賽最為著名。

       環法賽是世界影響最廣、規模最大、比賽水平最高、最著名的自行車賽事，約為3900公里的行程是對車手耐力極大的考驗。天賦、訓練、比賽日保持良好體能，這些都是讓車手們到達終點線關鍵的先決條件。此外，另外一個先決條件就是良好的設備。以PMI硬質泡沫作為芯材，碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）作為面板的結構組合，是目前自行車輪圈理想的材料選擇。自2005年起，位于德國腓特烈港的Carbonsports就一直依賴于PMI硬質泡沫（ROHACELL®）作為芯材來制造世界頂級性能的品牌為Lightweight自行車輪圈。許多運動員都采用Lightweight車輪征戰環法自行車賽，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硬質泡沫夾層碳纖維復合材料制成，不僅使自行車外觀更具美感，同時也賦予了車體良好的剛性，穩定性和耐疲勞性。車體重量進一步下降，騎乘舒適性更好。因此一經研制成功，便被用作專門的比賽用輪圈。


自行車輪圈對材料的要求

       自行車車輪要兼具四大目標：車輪剛性，重量，穩定性和耐疲勞性。碳纖維復合材料質量輕，比強度和比模量分別是鋼材的7-12倍和3-5倍。突出的比強度和比模量，使其可用來制造輕而強和剛而堅的各種制品，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構材料的力學性能。

       碳纖維復合材料結構穩定，在其制成復合材料經過百萬次循環應力疲勞試驗后，其強度保留率仍可達60%，而鋼材為40%，鋁材為30%。耐疲勞強度高，使得輪圈的使用壽命更長。

 

       碳纖維復合材料與傳統材料最大的區別就是具有各向異性，在結構設計時具有很大的自由度，通過這種“自由”的設計以滿足自行車車輪的需求。如碳纖維復合材料的鋪層角度0°時具有最高的縱向拉伸強度和模量，45°時具有最高的扭曲剛性、剪切強度和良好的阻尼減震性能，因此，可以通過不同的鋪層設計來達到輪圈的承力效果。

      此外，用低密度輕質泡沫作為芯材，和碳纖維面板一起作為夾層結構，可以在重量增加很少的前提下，大幅度提高結構剛度，并增加結構穩定性。


碳纖維自行車輪圈的結構形式及成型工藝

       碳纖維自行車輪圈根據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。無論哪種輪圈根據其截面結構又可分三種：中空碳纖維結構、半中空夾層碳纖維結構及全夾層碳纖維結構。不同結構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。

 

中空碳纖維結構輪圈

      80年代初，最早由臺灣人發明，主要用保麗龍加氣袋纏繞預浸料，待溫度到達80℃，保麗龍開始收縮后，便開始充氣，加氣壓至7-9bar，成型完后保麗龍在碳纖維輪圈打孔時倒出，氣袋則留在里面，氣袋約為50g。

      因氣袋法發展最成熟，故目前這是自行輪圈最常見的形式。但氣袋法缺點是，碳纖維預浸料固化過程中容易刺破氣袋，碳纖維紗線易彎曲，導致力學性能大幅度下降。此外，當自行車急速剎車時，在輪圈剎車區域產生高達200℃的溫度易使碳纖維復合材料變軟，長此以往導致碳纖維板分層。

要提高中空碳纖維結構輪圈的耐熱溫度，目前有以下幾種途徑：

    （1）提高碳纖維預浸料所用環氧樹脂體系的玻璃化轉變溫度，從而提高其耐熱性?？梢赃x用耐熱性好的環氧樹脂、固化劑和促進劑。環氧樹脂如脂環族環氧樹脂、雙酚S環氧樹脂、酚醛環氧樹脂、多官能團環氧樹脂、有機硅環氧樹脂。耐高溫固化劑如芳香族固化劑。同時固化時配比要合理，固化時升溫采用逐步升溫，后固化溫度高一點，時間長一些，耐熱性會有所提高。

    （2）為了提高剎車區域的耐溫性能，市面上常見的是在輪圈的剎車區外周面設一層具有耐磨，低導熱及散熱特快特性的鋁金屬輪圈或保護片，使進行剎車時，剎車片直接與保護片接觸，兩者不會直接接觸，且摩擦產生的高熱不會直接傳導至輪圈。但是對于比賽選手而言必須頻頻更換剎車片，并非最佳使用方法。此外還有在剎車區域表面涂耐高溫陶瓷。

       增加中空碳纖維結構輪圈的結構剛度，提高結構的穩定性另外一種途徑是在中間填充低密度的輕質泡沫芯材。

泡沫夾層碳纖維結構輪圈

       泡沫夾層結構是由高強度的蒙皮與低密度輕質芯材組成的一種結構材料。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，大幅度提高結構剛度。

      半中空夾層碳纖維結構和全夾層碳纖維結構統稱為泡沫夾層碳纖維結構輪圈。半中空夾層碳纖維結構只在剎車區域用泡沫填充增強，工藝上采用氣袋法和模壓法相結合。全夾層碳纖維結構用模壓法成型，結構剛性最好。

      自行車輪圈里的泡沫夾層芯材多為ROHACELL®硬質泡沫和聚氨酯泡沫，密度在29-52kg/m3范圍。聚氨酯泡沫多采用模內發泡工藝，密度大約30kg/m3，價錢便宜，但是發泡密度很難發到均勻，中心密度低，表皮密度高，內部缺陷也大，力學性能也差，用久了以后導致內部開裂，泡沫碎掉，車輪轉動時候能聽到吱吱聲。
      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，它具有最高的比強度和比剛度，熱變形溫度高達180-240℃。

     （1）在輪圈設計階段，ROHACELL®泡沫是一種結構性芯材，可以作為受力單元在夾層結構中起到結構功能，提高輪圈碳纖維蒙皮的穩定性，減少1-2層碳纖維預浸料，減輕輪圈重量，提高產品附加值。

    （2）在鋪層過程中，經過機加或者熱成型的泡沫芯材起到芯模的作用，使碳纖維預浸料鋪層平順，提高碳纖維蒙皮的力學性能。

    （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盈量，也就是說芯材尺寸略大于模腔尺寸，固化時，ROHACELL®泡沫芯材可以提供足夠的反壓力，使碳纖維復合材料蒙皮的固化更加密實。

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

      前文提到的世界著名復合材料自行車輪圈生產商，如Corima、Lightweight、Zipp、Hed等等，其輪圈就采用了半中空夾層碳纖維結構和全夾層碳纖維結構，并采用贏創集團生產的ROHACELL®泡沫為芯材。

 

小結

       綜上所述，要提高中空碳纖維輪圈的耐熱性和結構剛度。可以采用耐熱的環氧樹脂體系，選用耐熱性好的環氧樹脂、固化劑和促進劑，同時固化時配比要合理，固化時間也要合理。亦可采用高比強度和比模量，耐溫高達180-240℃的ROHACELL®泡沫作為芯材，制成高品質的夾層結構輪圈。