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PMI泡沫用于碳纖維自行車輪圈

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-09-23  來源:復材應用技術(shù)網(wǎng)  瀏覽次數(shù):331

前言 

       自1791年法國人西弗拉克發(fā)明了木制自行車以來,歷經(jīng)200多年的發(fā)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(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(guān)鍵的先決條件。此外,另外一個先決條件就是良好的設(shè)備。以PMI硬質(zhì)泡沫作為芯材,碳纖維增強聚合物基復合材料(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,位于德國腓特烈港的Carbonsports就一直依賴于PMI硬質(zhì)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(zhàn)環(huán)法自行車賽,并將黃色騎衫收入囊中。

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       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(wěn)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(jīng)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(wěn)定性和耐疲勞性。碳纖維復合材料質(zhì)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(jié)構(gòu)材料的力學性能。

       碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在其制成復合材料經(jīng)過百萬次循環(huán)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。

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       碳纖維復合材料與傳統(tǒng)材料最大的區(qū)別就是具有各向異性,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時具有很大的自由度,通過這種“自由”的設(shè)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(shè)計來達到輪圈的承力效果。 

      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。

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中空碳纖維結(jié)構(gòu)輪圈 

       80年代初,最早由臺灣人發(fā)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(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(qū)域產(chǎn)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(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、多官能團環(huán)氧樹脂、有機硅環(huán)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(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(chǎn)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(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,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,力學性能也差,用久了以后導致內(nèi)部開裂,泡沫碎掉,車輪轉(zhuǎn)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(shè)計階段,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層碳纖維預浸料,減輕輪圈重量,提高產(chǎn)品附加值。

     (2)在鋪層過程中,經(jīng)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(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)集團生產(chǎn)的ROHACELL®泡沫為芯材,見圖3 。

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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??梢圆捎媚蜔岬沫h(huán)氧樹脂體系,選用耐熱性好的環(huán)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(zhì)的夾層結(jié)構(gòu)輪圈。
 
關(guān)鍵詞: PMI泡沫 碳纖維
 
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