PMI泡沫用于碳纤维自行车轮圈

 前言

        自1791年法国人西弗拉克发明了木制自行车以来，历经200多年的发展，自行车不仅是交通和运输工具，还具有健身、旅游和竞赛等多种功能。随着自行车的诞生也兴起了自行车运动。至今各类自行车比赛多达几百个，其中尤以诞生于1903年的环法自行车大赛最为著名。

       环法赛是世界影响最广、规模最大、比赛水平最高、最著名的自行车赛事，约为3900公里的行程是对车手耐力极大的考验。天赋、训练、比赛日保持良好体能，这些都是让车手们到达终点线关键的先决条件。此外，另外一个先决条件就是良好的设备。以PMI硬质泡沫作为芯材，碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）作为面板的结构组合，是目前自行车轮圈理想的材料选择。自2005年起，位于德国腓特烈港的Carbonsports就一直依赖于PMI硬质泡沫（ROHACELL®）作为芯材来制造世界顶级性能的品牌为Lightweight自行车轮圈。许多运动员都采用Lightweight车轮征战环法自行车赛，并将黄色骑衫收入囊中。

 

       世界上很多著名的自行车轮圈，如Zipp、Corima、Hed等均使用PMI硬质泡沫夹层碳纤维复合材料制成，不仅使自行车外观更具美感，同时也赋予了车体良好的刚性，稳定性和耐疲劳性。车体重量进一步下降，骑乘舒适性更好。因此一经研制成功，便被用作专门的比赛用轮圈。


自行车轮圈对材料的要求

       自行车车轮要兼具四大目标：车轮刚性，重量，稳定性和耐疲劳性。碳纤维复合材料质量轻，比强度和比模量分别是钢材的7-12倍和3-5倍。突出的比强度和比模量，使其可用来制造轻而强和刚而坚的各种制品，特别适合于制作具有重量和刚性要求的轮圈。下面比较几种常见结构材料的力学性能。

       碳纤维复合材料结构稳定，在其制成复合材料经过百万次循环应力疲劳试验后，其强度保留率仍可达60%，而钢材为40%，铝材为30%。耐疲劳强度高，使得轮圈的使用寿命更长。

 

       碳纤维复合材料与传统材料最大的区别就是具有各向异性，在结构设计时具有很大的自由度，通过这种“自由”的设计以满足自行车车轮的需求。如碳纤维复合材料的铺层角度0°时具有最高的纵向拉伸强度和模量，45°时具有最高的扭曲刚性、剪切强度和良好的阻尼减震性能，因此，可以通过不同的铺层设计来达到轮圈的承力效果。

      此外，用低密度轻质泡沫作为芯材，和碳纤维面板一起作为夹层结构，可以在重量增加很少的前提下，大幅度提高结构刚度，并增加结构稳定性。


碳纤维自行车轮圈的结构形式及成型工艺

       碳纤维自行车轮圈根据轮胎的不同可分为钳式（Clincher）和管式（Tubular）。按照辐条的情况又可分为普通辐条轮圈、刀轮和碟轮。无论哪种轮圈根据其截面结构又可分三种：中空碳纤维结构、半中空夹层碳纤维结构及全夹层碳纤维结构。不同结构形式的碳纤维轮圈将采用不同的成型工艺，见表1。下面将一一介绍。

 

中空碳纤维结构轮圈

      80年代初，最早由台湾人发明，主要用保丽龙加气袋缠绕预浸料，待温度到达80℃，保丽龙开始收缩后，便开始充气，加气压至7-9bar，成型完后保丽龙在碳纤维轮圈打孔时倒出，气袋则留在里面，气袋约为50g。

      因气袋法发展最成熟，故目前这是自行轮圈最常见的形式。但气袋法缺点是，碳纤维预浸料固化过程中容易刺破气袋，碳纤维纱线易弯曲，导致力学性能大幅度下降。此外，当自行车急速刹车时，在轮圈刹车区域产生高达200℃的温度易使碳纤维复合材料变软，长此以往导致碳纤维板分层。

要提高中空碳纤维结构轮圈的耐热温度，目前有以下几种途径：

    （1）提高碳纤维预浸料所用环氧树脂体系的玻璃化转变温度，从而提高其耐热性。可以选用耐热性好的环氧树脂、固化剂和促进剂。环氧树脂如脂环族环氧树脂、双酚S环氧树脂、酚醛环氧树脂、多官能团环氧树脂、有机硅环氧树脂。耐高温固化剂如芳香族固化剂。同时固化时配比要合理，固化时升温采用逐步升温，后固化温度高一点，时间长一些，耐热性会有所提高。

    （2）为了提高刹车区域的耐温性能，市面上常见的是在轮圈的刹车区外周面设一层具有耐磨，低导热及散热特快特性的铝金属轮圈或保护片，使进行刹车时，刹车片直接与保护片接触，两者不会直接接触，且摩擦产生的高热不会直接传导至轮圈。但是对于比赛选手而言必须频频更换刹车片，并非最佳使用方法。此外还有在刹车区域表面涂耐高温陶瓷。

       增加中空碳纤维结构轮圈的结构刚度，提高结构的稳定性另外一种途径是在中间填充低密度的轻质泡沫芯材。

泡沫夹层碳纤维结构轮圈

       泡沫夹层结构是由高强度的蒙皮与低密度轻质芯材组成的一种结构材料。加入芯材的目的是维持两面板之间的距离，可以在重量增加很少的前提下，使夹层面板截面的惯矩和弯曲刚度增大，大幅度提高结构刚度。

      半中空夹层碳纤维结构和全夹层碳纤维结构统称为泡沫夹层碳纤维结构轮圈。半中空夹层碳纤维结构只在刹车区域用泡沫填充增强，工艺上采用气袋法和模压法相结合。全夹层碳纤维结构用模压法成型，结构刚性最好。

      自行车轮圈里的泡沫夹层芯材多为ROHACELL®硬质泡沫和聚氨酯泡沫，密度在29-52kg/m3范围。聚氨酯泡沫多采用模内发泡工艺，密度大约30kg/m3，价钱便宜，但是发泡密度很难发到均匀，中心密度低，表皮密度高，内部缺陷也大，力学性能也差，用久了以后导致内部开裂，泡沫碎掉，车轮转动时候能听到吱吱声。
      ROHACELL®是一种100%闭孔均匀的刚性聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫，在同等泡沫密度中，它具有最高的比强度和比刚度，热变形温度高达180-240℃。

     （1）在轮圈设计阶段，ROHACELL®泡沫是一种结构性芯材，可以作为受力单元在夹层结构中起到结构功能，提高轮圈碳纤维蒙皮的稳定性，减少1-2层碳纤维预浸料，减轻轮圈重量，提高产品附加值。

    （2）在铺层过程中，经过机加或者热成型的泡沫芯材起到芯模的作用，使碳纤维预浸料铺层平顺，提高碳纤维蒙皮的力学性能。

    （3）在固化阶段，ROHACELL®泡沫可能能够承受高温。泡沫芯材具有一定的过盈量，也就是说芯材尺寸略大于模腔尺寸，固化时，ROHACELL®泡沫芯材可以提供足够的反压力，使碳纤维复合材料蒙皮的固化更加密实。

    （4）ROHACELL®泡沫还具有良好的耐疲劳性能，在使用过程中，它与CFRP面板可以长期牢固结合，是制作自行车轮圈的理想芯材。

      前文提到的世界著名复合材料自行车轮圈生产商，如Corima、Lightweight、Zipp、Hed等等，其轮圈就采用了半中空夹层碳纤维结构和全夹层碳纤维结构，并采用赢创集团生产的ROHACELL®泡沫为芯材。

 

小结

       综上所述，要提高中空碳纤维轮圈的耐热性和结构刚度。可以采用耐热的环氧树脂体系，选用耐热性好的环氧树脂、固化剂和促进剂，同时固化时配比要合理，固化时间也要合理。亦可采用高比强度和比模量，耐温高达180-240℃的ROHACELL®泡沫作为芯材，制成高品质的夹层结构轮圈。