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自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

2022-12-28 18:13| 查看: 2604| | 去自行车论坛逛逛

自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

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。

自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

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,而第一台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,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

自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

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。

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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。

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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。

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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

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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

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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

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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。

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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

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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?

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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?

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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。

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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。

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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。

自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

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

自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

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。

自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?

我们的意见

好的山地车除了重量以外还有很多重要的指标,比如性能、操控和耐用性。几何大师Chris Porter表示,山地车在下坡时甚至可以在车架上增加的重量而受益。这是许多eMTB 在下坡时如此强大的另一个原因,它无需碳纤维或高端组件。我们也总结了几个问题,帮助用户选择合适自己的材料。

你的预算是多少?

你想花多少钱?如果您的预算紧张,答案相对简单:铝合金!一般来说,你会在价格优惠的铝合金零件上得到更好的体验。如果想要获得碳纤维的高性能,你需要买那些高端的碳纤维产品,请记住原理那些便宜得离谱,在网上没有标志,没有品牌的碳纤维产品。

你的目标是什么?

你希望从碳纤维零件中获得哪些优势?更直接的操控?更多舒适度?还是为了面子?明确哪里需要升级,也是很重要的一点。例如,如果你的手臂酸胀,那么可能是车把过硬。如果转弯抓地力不足,有可能是轮圈太硬,或者轮胎选择不对。所以在购买之前尽可能清楚地了解自己的需求。

你的骑行风格

如果你经常发现自己的铝制轮圈出现凹痕,那么升级碳纤维轮圈是冒险的投资。对于enduro来说,使用的碳纤维轮圈不见得会比铝合金轻多少,但是骑乘质感会有差别。轮组的另一个因素是外胎,轻量柔软的外胎也会对碳纤维车圈造成伤害。

你喜欢什么?

老实说,重要的是你爱你的自行车!如果你的存钱罐已经爆满,而你又在垂涎心动的零件很久,那么久对自己好点,无论它是CNC精加工还是精美的碳纹。切记不要被营销炒作蒙蔽了双眼,而是要购买能够使用很长时间的优质组件。

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。

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本文标题:自行车材料选择 碳纤维一定比铝合金好吗?
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