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自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

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2021年07月08日 09:38:29
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对于大多数人来说,碳纤维是最好的代名词:轻量、极佳性能,几乎没有其它材料像碳纤维这么“神秘”了。

在本文中,我们将拆开碳纤维的面纱,深入讨论一下为什么铝合金可以是更好的选择。

  无论车架、车轮还是车把,我们大多数人会在碳纤维或铝合金之间选择碳纤维。碳比铝更好的观念在潜移默化的影响着我们。轻量化部件、性能提升以及大多数品牌旗舰车型的配置,都仿佛在告诉我们碳纤维是最好的。但真的是这样吗?什么场合下铝合金是更好的选择?

  为了回答这个问题,我们进行了深入研究,并与世界各地的知名材料专家、开发人员和产品经理讨论了这个问题。其中包括来自SantaCruz的碳纤维狂人Nic McCrae、铝合金加工大师 Leo Kokkonen,Unno Bikes的Cesar Rojo,DT Swiss 的轮组专家Andreas Tschanz 和 Nils Verhoeven。我们也准备听听这些专家的真实想法。

  

  

  早在80年代,铝合金和不久之后的碳纤维,就出现在当时蓬勃发展的山地自行车领域,如今它们是两种最常用的车架和组件材料。相比之下,钢铁和钛已变得小众。1978年,Charlie Cunningham用直规铝管焊接了传奇的CC Proto车架。抽管技术,也就是让一根管材的管壁有不同厚度,在当时的钢框架上已经很常见,并且很快就应用于铝合金。经过多年发展,液压成型和机械加工等其他工业流程也进入了自行车生产领域。第一台碳纤维公路车是LOOK Cycle在1986 年生产的,而第一题爱碳纤维山地车诞生于1992年的Lotus Sport。经过不断开发和改进,铝和碳都从最初的实验性质演变高性能、可靠的山地车材料。虽然公众对铝或碳之间已经有所了解,但是关于它们的争论依然存在。

  接下来要讲点技术层面的东西了。为了深入研究这些材料,我们必须强调一个关键事实,即碳和铝有不同种类之分。原材料的组成、它们的制造和加工过程存在相当大的差异,最终影响最终产品的性能、耐用性和价格。正如Santa Cruz的Nic McCrae 所说:“材料的名字是一样的,但做出来的车架可以是顶级,也可以是垃圾。”接下来让我们仔细看看都存在哪些差异。

  铝合金不等于金属铝

  

  当我们谈论铝合金即纯铝 (Al) 和其他合金材料的混合物。在其元素状态下,铝质轻且耐腐蚀,但不适用于大多数工业应用和自行车。纯铝相对较软,难以加工并且具有高热膨胀性。例如,通过在纯铝(通常为Al99.5)中加入硅等其他元素,它就成为可以焊接的合金。添加铜和锌可提高合金的强度。其他金属,包括镁、锰、铁、铬、钛或钪也可以少量添加以改变性能,通常比例远低于1%。不同的“配方”调配出来的铝合金材料应用于车架和零部件。例如Al6061、Al6069、Al7005或Al7075。编号的T后缀代表合金的热处理。例如,T6合金经过固溶热处理和退火硬化,使其具有最大的抗拉强度。不同种类的合金之间,物理性质的差别还是非常大的。

  当经受重复的负载后,材料可能会在低于其拉伸强度的数值下断裂,这种现象我们称为金属疲劳。此外,铝和所有金属一样,是一种各向同性的材料,意味着它在所有方向上都具有相同的属性。这与碳纤维不同,碳纤维在不同的加载方向上表现出不同的特性。当沿纤维长度方向拉动时,它具有极高的抗拉强度,但在横向加载或压缩时很脆弱。作用在自行车上的力是复杂的,这意味着碳纤维必须以不同方向进行叠置,以应对拉伸、压缩和扭转。

  

  铝合金在彻底断裂之前会发生弯折

  这如何反映在车架和组件中?如果你比较一下自行车上的铝合金会发现,较低系列号通常更柔软、更容易加工且更便宜。这些合金较难损坏,因为它们在撕裂之前能够产生更大的形变。然而,与更高等级的合金相比,它们的强度重量比并不好,这意味着需要使用更多的材料来达到所需的强度。所以可以使用较低等级的合金省钱,但这是以性能为代价的。

  重量相同的情况下,Al6069的强度比6061更高。理论上6069制成的轮圈可以承受更大的负荷,寿命更长一些,但是价格也更贵。DT Swiss EX 511和Stan的 NoTubes Flow MK3 是6069材料的代表性轮圈。

  

  很少看到像POLO是用整块铝块来切割出车架的

  另一方面,7系列铝比6系列合金具有更高的抗拉强度和更高的疲劳强度。但是它们更脆,不适用于轮圈,因为它们更容易断裂而不是弯曲。简而言之,与自行车车架和部件相关的铝合金的系列号越高,它们就越坚固耐用。由于材料更硬,合金更难加工,因此也更昂贵。自行车上常见的7系列合金是Al7005,比如Renthal的铝制车把。更高级的比如芬兰品牌 Pole 使用的7075铝,由于其钪含量和复杂的加工要求,这种合金强度更高,但也相当昂贵,焊接非常困难,这就是为什么 Leo Kokkonen 转而使用 CNC加工。用实心铝块加工切割,然后将它们粘合在一起。这能够提高产品性能,但是售价更高(该车架5000欧元),这比大多数碳纤维车架要贵不少。

  

  一般来说只有像连杆这样的小零件才会整块切割

  由于采用抽管技术,可以沿着一定直径的管道长度实现不同的壁厚。例如,管子中间的壁可以比两端的壁更薄,从而减轻重量。今天,山地自行车制造商几乎所有的铝制车架都依赖液压成型,它允许形成更复杂的管轮廓。

  理论上,铝可以回收利用

  

  铝是从铝土矿中开采获得的。世界上最大的铝金属生产国包括澳大利亚、几内亚、中国、巴西、印度尼西亚和印度。金属铝需要经过额外工艺获得,生产一公斤金属铝需消耗大约15千瓦时的电力,产生高达25公斤的二氧化碳。此外,一吨氧化铝的初级提取产生的有害赤土或高达铝本身一倍以上,它们最终进入垃圾填埋场,目前很难回收利用。幸运的是,至少最终的铝制品可以回收利用。铝循环再利用的能量只需要初级生产所需能源的5-10%就可以。Leo Kokkonen 认为这是在碳和铝之间做出决定时的核心论点。“从长远来看,我们真的需要考虑这个问题。我们生产的无法回收的材料越多,时间久了环境问题越严重,金属则可以循环回收利用。”

  当然,循环利用也有缺点:以目前的技术,每次循环利用后的金属质量会下降。如果不同种类的金属能够正确分类,那么无线循环是可行的。然而,不同的合金通常会在废料场混在一起。当它被熔化时,它会产生混合物,无法从中生产出高质量的合金,因为一些杂质无法再被去除。事实上,德国的大部分铝废料最终都用在品质较差的铸造,或者作为钢铁生产中的添加剂。目前,全球加铝制品只有不到四分之一来自循环利用。

  什么是碳?纤维、3K、12K 和 UD 预浸料

  

  当我们将碳纤维增强聚合物(CFRP或简称碳)制成的成品拿在手中时,我们看到的是许多复杂制造工艺。这些黑色的碳纤维基本由纯碳组成,需要耗费许多能量才能制成,碳纱按所需的方向布置,用树脂粘合剂进行预处理,然后制成碳布。所需树脂的生产也需要大量能源。纤维和树脂组成的叫预浸布,提供给厂商使用。这是生产碳纤维车架和零部件的原材料。碳布被裁切成所需的大小,按照计划好的堆叠方式贴在模具内部,以获取希望得到的特性和强度。碳布铺好以后,模具就会合上,接下来往里面放入气囊充气,将碳布向模具内挤压。模具在高压烤箱中加热,预浸布里的环氧树脂开始固话,车架或者零部件开始成型。这种碳纤维一体成型技术是目前最常用的。

  在查看成品组件时,我们最终看到的只是预浸料的外层。典型的3K和12K碳布是互相垂直交织的,3K每束都有3000根碳纤维丝,12K有12000 根单独的碳纤维丝。单向 (UD) 预浸碳布的碳丝都是在同一方向上运行。

  碳叠层:堆叠的艺术

  

  预浸布在不同位置的排列、形状和数量是决定成品质量的关键因素。叠层对于高性能组件制造商来说是一个几乎无限的实验领域,也是造成质量差异的最大原因之一。每张碳布都需要精确地手工铺设,复杂的铺设需要大量的时间投入。

  碳纤维是一种各向异性的材料。各向同性铝合金在所有方向上都具有相同的特性,但碳纤维仅在其纤维方向上具有强度,这也仅适用于拉力,不适用于压缩。虽然是单向的,但它在一个方向上的抗拉强度非常强大,是铝合金的十倍以上,并且在疲劳强度方面也更强。“如果你高强度骑一个铝架,两年后它可能会开裂,但是碳纤维车架可以用得更久,前提是没有撞击。因为有些损伤是肉眼看不见的。”Unno Bikes 的 Cesar Rojo表示。

  

  毫无争议,亚洲是全球碳纤维制造中心,并且大多数自行车工厂位于中国,大量使用亚洲生产的预浸布来为品牌生产车架和零件。亚洲以外的碳生产在自行车行业很少见,但也可以可以作为一个独特的卖点,例如来自德累斯顿的 Beast Components 和来自巴塞罗那的 Unno Bicycles。

  碳纤维生产是一个非常耗能的过程,除了消耗能源、产生废水、需要高温、各种化学品和树脂外,人力也起着巨大的作用。与可以自动化的铝部件生产相反,碳部件需要手工操作,比如展开预浸布、切割和分类碳布,手工贴在模具上。

  降级回收

  

  纤维增强聚合物的回收比铝的回收更困难。回收的目的是把极度耐热的碳纤维从环氧树脂中分离出来,使它们能够重新利用。目前有少数工序能够做到这一点,比如通过燃烧(热解)和化学溶解(溶剂分解)树脂来分离纤维。但是大部分碳纤维废料暂时依然无法解决。纤维几乎不可能焚烧,机械粉碎会产生有毒和导电的灰尘,对人和系统构成危险。所以就目前情况而言,这两种材料都不是真正可持续的。在处理方面,铝需要更仔细的分类才能以更大的数量和质量进行回收。所以金属比碳更环保,因为后者很难回收和再利用。两者的生产都需要大量能源,但是碳要比铝合金耗电更多。

  总的来说,最好是一步到位,一个高质量的产品可以让你用更长的时间,不需要每隔一段时间就更换。

  未来:为什么不将碳和金属结合起来?

  

  

  碳纤维组件坚硬、耐用且重量轻,但在面对机械损坏方面表现出弱点,必须手工铺设。铝主要由机器加工,并且更能抵抗撞击,尽管它不如碳那么坚固。那么,为什么不结合碳和金属的好处呢?比利时品牌REIN4CED为此开发了一种工艺,通过在碳纤维板上添加一层细细的钢线。据称外金属层可以使碳更耐冲击,增加其承载能力,防止断裂,所有这些都不会增加重量。REIN4CED的其他成就之一是其高度自动化的制造过程,因此他们的目标是几乎无需人工即可制造整个车架。这家比利时公司已经在为新的 Kellys THEOS eMTB 生产车架,我们希望尽快对其进行测试。我们很高兴看到它的发展方向,事实上,许多品牌都在努力减少对亚洲的依赖。在当下的热潮中,比以往任何时候都更清楚地说明了这种依赖的危险程度,这可能会将公司推向崩溃的边缘,尤其是那些品牌影响力较小的玩家。

  噩梦还是现实?

  

  我们都听说过碳纤维零件发生断裂故障,但这并不意味着碳纤维产品容易断掉。碳是一种非常了不起的材料。丹尼·麦卡斯基尔曾把Santa Cruz Reserve的碳纤维轮圈拿到台阶路段进行暴力测试,还是没有装外胎的情况下,轮圈完好如初。当然,有时候破坏是在不经意间。

  我们每都要测试100多辆自行车。我们的第一手经验告诉我们,无论是铝架还是碳架,每个组件的耐用度和性能都存在显着差异。如果产品的设计只考虑一个属性,例如耐用性,它很可能会在其它方面妥协,比如舒适度、重量等。一个好的产品在特定应用所需的,通常都是在相互矛盾的指标之间取折中方案。这要视乎这件产品的结构,还有它的设计用途。生产过程的质量也是影响产品性能的一大因素。

  质量:工艺问题

  铝合金加工的历史相对来说比较长,它是一项成熟的技术。许多流程也实现自动化,材料的各向同性,使成品的特性相对可掌控,并且行业对不同合金的应用有丰富经验。由于不同的合金有着各自的特性,如焊接水平、锻造工艺和后期处理,仍有改进的余地。

  相比之下,碳纤维生产工艺仍在发展改良。切割、对齐和排列预浸布是碳纤维产品质量的重要因素,目前仍在不断摸索。“在未来几年,我们仍将看到许多不同的碳纤维制造新方法和新理念。”DT Swiss的Nils Verhoeven表示。即使是现成的预浸布在强度、延展性和价格上也各不相同。相同的壁厚铺设的高质量纤维层越多,可以越精确地定制组件的特性。这能够做出更高质量的产品,当然售价也更高。

  

  因此,包括Canyon、Trek、Specialized和Santa Cruz 在内的众多制造商都会提供不同等级的碳纤维车架。比如Santa Cruz提供CC或C型号车架。较轻的CC型号使用高强度纤维,而C 型号使用低强度纤维。CC版本比C版本还更硬。换句话说,差异不仅在于重量,还在于性能。在公路自行车领域,同一系列车型使用的不同等级碳纤维之间的差异尤为明显。

  设计、成本和人工方面的巨大空间意味着碳的质量仍然存在相当大的差异。高品质的碳纤维部件需要知识、精度,最重要的是工人的工艺。许多品牌正是因为这几点没做好,尤其是想降低生产成本。根据Santa Cruz复合材料工程师 Nic McCrae 的说法,廉价的碳纤维产品通常在纤维本身的质量方面并不差,而是在工艺方面。

  适合材料的结构:组件只是整体的一部分

  碳纤维零件的生产,需要拥有足够的经验,并且充分了解零件的用途。在研发过程中,很重要的一点是,这个零件不是单独的一个零件,让我们来看看车把的例子。

  

  车把会受到许多不同的力,不仅仅是车手在崎岖地形中冲刺的拉扯。除了车手外,车把还必须应对刹车、把立和把套的夹紧力。夹环和车把表面之间的接触区域起着至关重要的作用,需要特定材料进行设计。由于碳是一种各向异性材料,对压缩和侧向载荷很敏感,因此使用不正确的夹环或扭矩很容易损坏一根完美的车把。早期的刹车杆夹是圆形的,与车把的接触面积很大。最近的Shimano XTR夹环是椭圆的,导致在车把上的应力更加集中,这种设计对于碳纤维车把来说并不合适。

  铝或碳——你在路上能感觉到什么不同?

  山地自行车车架、轮圈和车把通常有铝和碳两种材质。不过,由于材料的可能性、缺乏实际测试或仅仅是品牌的炒作,碳纤维产品在过去看起来非常坚硬。与此同时,制造商又重新调整了他们的目标,最新的关键词是舒适度。

  

  现在的碳纤维轮圈,例如 Crankbrothers Synthesis 或 Zipp 3ZERO MOTO,设计之初就能够提供柔软、舒适的感觉,而不是将地面的震动毫无过滤地传递给车手。Unno和Santa Cruz等车架制造商也明确表示,刚性不再是重中之重,有些事情可以通过适当的弯曲变得更好。不断丰富的经验使设计师能够在需要的地方创造刚度和耐用性,同时允许在特定方向上弯曲,特别是对于负载导向的单向纤维。

  铝合金在纵向上的刚性和抗拉强度比不上碳纤维。然而,根据壁厚和结构,你会发现铝架和组件非常坚固,而碳部件可以是柔软或坚硬。车架和组件的骑行特性很大程度上取决于它们的构造方式。铝的疲劳强度不足,但可以通过增强材料来抵消。Unno的Cesar Rojo表示 COMMENCAL的铝制框架坚固耐用,但稍重一些。如果你的预算紧张,优质的铝制组件是一个安全的选择。有些人会用“发力直接”,“干脆”来形容碳纤维车架的骑乘感。优质的碳纤维有着很长的寿命,但是如果损伤的话,它的性能会大打折扣,还可能毫无征兆的断裂。在这方面,铝合金则更容易判断。它在彻底报废之前,会先发生一定程度的弯折或断裂,相对来说它会比碳纤维更让人安心。

  自行车的整体性能比堆砌零件更重要

  

  自行车作为一个整体比其单个组件重要得多。例如,一个拥有适当舒适度的车架,搭配刚性过度的车把和轮组,会发生什么情况?同样,如果车架在头管周围不够坚固,或者车轮没有跟上,那么坚硬的车把和前叉的转向精度也会受到影响。对于应该选择铝制车把还是碳纤维车把的问题,没有统一的答案,因为并非所有的铝制和碳制车把都是平等的。即使使用相同的材料,单个组件之间的差异也非常大,以至于在大多数情况下,它最终更多地取决于组件的工艺和用途,而不是材料。

  零件之间和谐搭配比单一零件的性能重要很多。一辆自行车的好坏取决于它最薄弱的部分,当然,您可以从其它地方补回来。我们在测试中反复强调这一点:哪些品牌对整车配置用心测试,又有哪些品牌知识看着表格简单堆配置。个人的骑乘风格和水平也有关系,比如职业车手喜欢刚性好的车把带来精确操控,而给一个菜鸟用同样车把则会受不了颠簸,甚至要停下来休息。

  

结论

  我们希望对碳是否比铝更好给出一个直接的答案。它们都是极好的材料,你都值得拥有,决定性因素是零件的生产质量,以及它与你车子的匹配程度,而不仅仅是材料本身。

声明:本文版权归原作者所有且仅代表原作者观点。凡注明来源为“铝加网”的文章,版权均属铝加网所有,未经授权不得转载。如需转载,必须与铝加网(电话:18925956650)联系授权事宜,转载必须注明稿件来源:铝加网。铝加网保留对任何侵权行为和有悖本文原意的引用行为进行追究的权利。

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