揭密碳纤维自行车——材料篇

Pauline

一直想写点碳纤维方面的东西，但苦于只知道理论，并不能深入碳纤维自行车的内幕，最近有机会到碳纤维自行车工厂进行学习并了解一些行业知识，现在提笔写这篇文章更有意义。

当然还是要先说点理论，对于碳纤维大家都了解一些，但也都有一些误区，厂商也正是利用了这点做宣传，让我们看不清本质。

碳纤维的生产

碳纤维有四大厂，分别是日本的东丽（行业霸主）、东邦、三菱，还有台湾的台塑。日本的碳纤维领先大陆30年，东丽已经有T1100的碳纤，国内研发成功T800也是因为有国家资金的扶持，但能否能稳定量产还是个问题。而且相同规格日本碳纤维的价格甚至比国产便宜，所以说如果自行车厂商宣称自己用了日本进口碳纤，也是很正常的事。自行车工厂可以买到下面两种原材料。

碳纤原丝，还需要经过混合树脂编织的过程

预浸碳布，可以直接使用

碳纤维是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维，密度是钢材的几分之一，但强度达到钢材的10倍以上，其性能优势可想而知。

碳纤维的制造分为原丝制造和碳化两个关键过程。原丝制造简单地说是先通过丙烯腈聚合和纺纱等工艺（另外还有一种是沥青基），先聚合制成聚丙烯腈，再纺丝制出聚丙烯腈纤维原丝。聚丙烯腈原丝随后进行预氧化、低温和高温碳化等步骤，最后进行表面处理、上浆烘干并收丝就得到了碳纤维原丝。

碳丝只有混合一定比例的树脂形成预浸布，才能进行下一步的贴合、预制、成型流程。混合了树脂的碳布都有一定保存期，对于环境温度要求较高，大型自行车工厂都会自己生产碳布来降低成本。

根据角度贴合碳布

我所学习的工厂就有能力自己织碳纱，用的工艺是低温树脂技术，把买来的碳丝（东邦T700）穿过调配好的树脂溶液（树脂配方是厂家的机密），再织成碳纱，单层的碳纱根据需要切成0度、30度、45度等，并把两层碳纱以相反的角度贴合在一起，通过烘烤，挥发溶剂制成干纱板，就可以进入下一道工序。注意这里使用的工艺相对简单，碳布的均匀度并不是非常高，因此工厂会搭配使用购买的成品预浸布。

碳纤维工厂生产碳布

编织布和单向布

成品碳布分成编织布和单向布，编织布就是我们看到的碳纤纹路，很多人会觉得只有碳纹才能看出是碳纤维。

编织布

编织布的优点：外观、层间剪应力高，强度低、贵，越小K的碳纤维编织出来的花纹越好看。一般编织只使用1K、3K的碳纤维作为外观材料。1K是指一束中有1000根单丝，同理3K指一束中有3000根单丝。

单向布

单向布的优点：强度高且稳定，叠层角度可设计，便宜，随着设计角度来应对不同的受力方向。单向布的强度远高于编织布，碳纤自行车会使用10-30层单向布。单向布分成0、15、30、45度等，其中30、45度碳布用来抗扭，0度用来抗压。一个车架根据设计使用不同角度的碳布，最终即要有硬度也要有强度。


高强度和高模量

东丽的T系列高强度碳纤，M系列高模量碳纤。X轴是拉伸模量，Y轴是拉伸强度

说到硬度和强度，就不得不提碳纤维的两个最关键的指标，也是碳纤维命名和分级的依据。强度用拉伸强度表示，硬度用拉伸模量表示。

拉伸强度是指材料能承受的最大应力，达到此应力时结构发生破坏。说白了就是拉伸强度越大越结实，车架强度越高。比如东丽最大拉伸强度的T1100达到6600MPa（百万牛顿每平方米），Pinarello动作很快，F10和F8已经用上了T1100，并称之为“梦幻碳纤”。为何以Pinarello为代表，因为在大厂里它是清楚说明所用碳纤型号的。


拉伸模量是指受正应力时的弹性模量（应力和应变的比值），越高表示材料的形变越小，也就是车架刚性越高。东丽的M系列就是高模量碳纤，高端车架都会宣称自己用了高模量碳纤（hi-mod），也就是刚性高啊，硬梆梆不变形。

东丽的M60JB的拉伸模量达到588GPa，这个单位很复杂，因此业内一般会用多少吨来表示，如T300、T400和T700虽然拉伸强度不同，但拉伸模量是很接近的，都会称为24T（吨），T800和T1000是30T，而M60就是60T，所以说东丽M系列碳纤是神一般的存在。早期Pinarello顶级公路宣称使用东丽M65碳纤，现在换成了T1100，虽然拉伸强度大幅提升，但拉伸模量却远远不及，可见十全十美的东西是不存在的，要达到最佳效果必须混用T和M系列碳纤。


顺便提一下玻璃纤维，玻纤也是好东西，抗撕能力比碳纤强，因此碳架在开孔的地方会贴一层玻纤来加强，但是玻璃纤维的拉伸模量只有碳纤的四分之一或更低。很多便宜（山寨）的车架会大量使用玻纤降低成本，反正里面你也看不见，这也是我们购买碳纤产品要选择正规品牌和工厂的原因。


碳纤维的级别

T系列是高强度碳纤，M系列是高模量碳纤。T系列从低到高，拉伸强度越来越高，但就算是最高强度的T1100的拉伸模量也比不上M系列最低的M35JB。东丽公司出产的各种碳纤维型号中，还有不同的字母后缀，其中J代表比基本型号增强了拉伸强度，H表示相比基本型和J型号增强了拉伸强度和拉伸模量，S代表拉伸强度最高的型号，G代表在S型号基础上进一步增强拉伸模量和粘合性能的型号。


伸长率是指拉伸多少比率会产生结构破坏，这个值越大越好。

我们看到1K、3K的碳纤都是低端货，只能作为外观材料。T300到T700的拉伸模量都相同，T800就有较大提升，因此T800的价格会是T700的三倍，可以说是中端和高端自行车的一个分界线。T系列强度增加，模量也增加，但是M系列则相反，模量越高强度越低，因此整车都用高模量的M60显然不现实。一般会用M系列进行模量补强，想要控制价格不采用M系列碳布，会使用T700模量补强碳布。高端车架不会只使用T系列或M系列，比如用M60进行模量补强，用T1000进行强度补强，那些号称使用T1000的自行车只要达到强度和重量要求也会用T700来降低成本。

Pinarello在宣传上是个中好手，还没有T1100时，为了突出独家性，声称采用东丽M65碳纤，现在东丽推出T1100，那么就宣称F10和F8用的是T1100，至于用多少消费者并不知道。


原文来源：高端单车知识