一、自行车车架材料分析
车架材料最早是使用铬钼钢，然后进化到使用铝合金，再然后是复合材料的使用如碳纤维。厂商不断的在研发新材料配方，提升管件和结构设计能力，并创新加工技术。为的就是让车架更轻、更强、更舒适和美观。目前，制造自行车车架的材料主要有以下几种：钢，铝合金，钛合金，镁合金，钪合金，碳纤维等。一般市场上出现的车架主要有钢，铝合金，钛合金，碳纤维。
Ⅰ．铬钼钢（Fe-Cr-Mo）
在自行车的100年历史当中，铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。铁制车架的最大特徵是可在各种成份，各种粗细厚薄的铁管中，任意选择所需要的铁管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架，这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其他的素材重(过去)。但是最近的铁素材车架经过热处理，把薄的管道做成粗的管来使用，其重量不会输给轻的合金。
铬钼钢是铬、钼的合金。它的性能如下：
○淬火性好。
○对回火处理的抵抗性大。
○回火脆性倾向少。
○高温加工性好，加工后美观。
○熔接性好。
●铬钼钢车架的优点
(1).加工性好
铬钼钢的车架是历史最久的车架，因此对它的研究时间也最长。现在能做到车架所需强度的极薄的管道。
(2).冲击的吸收性能好
骑感极好，如「像弹簧般的骑感」。构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的性能。
(3).焊接容易
铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外，焊接后也不需要热处理，因此不需要大型的热处理设备，成本低。
(4).价格便宜
虽然有些高挡次的铬钼钢车架价格贵，但一般价格便宜。也可以说，用便宜的价格买到高挡次的车架。
●铬钼钢车架的缺点
(1).容易生锈
车架用的铬钼钢含有铬，但是添加量少(不锈钢含有12%的铬)的铁系合金。若没有施有表面处理的话，有伤口时容易生锈。但是一般都有进行防锈加工。自行车的场合，管道的肉压薄，生锈后的影响将会非大。生锈→肉压减少→强度下降(应力集中)。
(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)

Ⅱ.铝合金（Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)）
很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从「轻」来说，当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是「虽轻但易弯曲 」。虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。铝合金是纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu)两种，经过热处理(铝耐高温，在高温下能改变性质)可以制成名种各样的材料。   6000系被认为是耐腐蚀、强度好、焊接性也好的材料。7000系是铝合金中最强的材料。尤其是7075是特超硬铝(制造飞机的材料)，但是它的焊接难度大，耐腐蚀性差(会发白)等
●铝合金车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
铝的比重轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。热处理采用时效析出增强法，简单地说，在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时，会引起时效析出，若没有经过这个程序的车架，也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。  许多铝合金制车架用6061-T6材料来制造。T6标志表示经过热处理、时效。若没有热处理的话强度只能达到1/2，或者1/5的程度。  有7075标志的自行车零件(如XTR曲柄等)，严格来讲没有经过热处理。也就是说因没有时效，因此是常温时效。7075合金本来就必要进行热处理，通过热处理其强度可以增加5倍。  另外，7005合金也常用来制造车架，它的强度比不上7075，但是它在常温下也能够进行足够的时效的材料。这种材料也可用Padded加工制成薄料。但是材料本身的强度及杨氏弹性模量低，因此加粗管道直径来提高刚性。通常被称作铝制粗管道的是这种类型。
(2)长时间使用外观不怎么变化
铝本身是很容易受腐蚀的金属，在空气中几乎不存在没有被氧化的铝，放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。为什么不生锈呢？原因是该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白)。  另一方面，骑这种材料制造的自行车时，骑的次数越多，应力发生的次数也高，强度也显著引起变化。近来为了谋求轻量，许多车架使用薄料来制作(薄的程度已达到极限)。这些都是使用没有疲劳极限的铝合金来制作车架，到底长时间使用后强度变化将是如何呢！Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有喷丸硬化加工(KET处理)的管道，这种加工的目的是延长疲劳的寿命。根据公开的数据，能提高140%。，KET处理是：疲劳破坏是在金属表面上所发生的裂缝为起因，因此用硬化加工技术来提高金属表面的硬度。
●铝合金车架的缺点
(1).铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道，或者改变形状如cross-over管、padded管等。
(2).需要进行热处理  必需进行热处理，否则强度不够。因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。尤其是6000系的铝合金管，多数情况是管道厂家指定热处理条件。
(3).刚性，强度较低。骑感不佳。


Ⅲ. 钛、钛合金（Ti,Ti-Al-V)
美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是「轻而硬」。早期的钛合金车架，作为比赛用车，刚性不足，其车架不适合于长距离赛车，也不是适用于所有的比赛，只适合用在山岳，或者Big reces, Time traial等需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷，曾经有些热中于轻量化的骑手，把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉，贵而稀有，实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，价格才较贵。  金属钛比重轻、强度大，同时耐腐蚀性高的材料，一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高，热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度。
●钛合金车架的优点
(1).可以制作轻量而强度大的车架
纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒，弹性更高(和铝比较)，也有利于设计。
(2).不生锈
钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如，不同种类的合金接合在一起时，成为电极状态，电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失，即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧，接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为「粘住」，它和「烘焙」是不同的。 「粘住、咬合」：金属之间通过腐蚀来接合的现象。 「烘焙接合」：加工金属时所产生的热量来溶融接合
(3).骑感好
钛也用在避震器的弹簧上。现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行。有些车手酷爱钛制车架，认为骑感极佳。但是个人各异，有人和铬钼钢比较后认为，铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好，骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关)。假若钛管的加工技术得到进一步改进，也许会有和铬钼钢同样的骑感。 有些钛制车架使人感到摇摆，这也许是使用plane管(没有加padded的，厚薄不能变化的管)有关。或者虽使用高强度的钛合金，但没有用薄的管等也有关系。

Ⅳ.碳纤维（CERP）
自行车作为生活中常用的代步工具，以其造价低廉、维修简单、使用方便等特点而深受人们的喜爱，形成了巨大的消费市场、随着现代社会的飞速发展，自行车已由原来单纯的交通和运输工具而演变成为集健身、旅游、竞赛等多种功能的运动器械，这就要求其外观更美，重量更轻，骑乘也更为舒适．自行车档次的高低取决于车体材料的选择和做工，典型的低、中、高档自行车构架分别由碳钢、铬钼台金及铝合金和碳纤维制造．碳纤维是一种新型的复合材料，它有重量轻、比强度高、比刚度太等优点，而且具有可设计性和易成型性，从而得产品的设计结构有更高的效率．目前，世界各国都对研制新形态、新材料的自行车投入了巨大的人力、物力、财力．美、英等国家都已开发生产出碳纤维自行车整体车架．整体式碳维
行车摆脱了传统的菱形模式，造型更流畅和活泼多变，车架装饰更丰富多彩、鲜艳别致。碳纤维车架的特征是「轻、不弯曲、冲击吸收性好」，但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题，但是碳纤维车架还是具有其它素材所没有的优点，可以制造8、9kg左右的轻量自行车，这种碳纤维轻量自行车，登坡时最能体现其优点，登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架，登坡时感到有一种向后拉的力量。  碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻，但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。
●碳纤维车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的。
(2).冲击吸收性好
碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿，或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能，制作不用避震器的自行车。如SCOTT厂的ELEVATED车架是著名的。但是各个厂家之间的品质差异较大，有的很硬，因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。
(3).可以制造各种形状的车架
碳纤维的基本成型方法是，在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。如TREK的Y车架是著名的。
●碳纤维车架的缺点
(1).复杂的应力计算
构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。加工技术各厂家各异，应选择有经验而可*厂家的制品是很重要的。
(2).难于更改尺寸
由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。
(3).老化
碳纤维含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考虑内在因素，它用树脂因此树脂老化的可能性是存在的。碳纤维制自行车不使用时应该避开阳光，日光和环境的温度对它的影响最大
Ⅴ.镁合金
镁合金作为目前密度最小的金属结构材料!广泛应用于航空航天工业&汽车工业&通讯电子业等领域’镁合金突出的优异性能受到了自行车生产厂家与客户的青睐!逐渐被各大公司应用于自行车的零部件生产#近年来!国内外的许多公司纷纷开始了镁合金自行车架的研发!许多知名厂商已经成功地生产出性能优越的镁合金车架自行车并投入使用!取得了很好的效果
●镁合金车架的优点
(1).高的比强度、比刚度
应用于自行车架的材料中，钢的强度和刚度是最好的。同时，镁合金的抗拉强度、弹性模量也明显低于铝合金和钢。但是，镁合金的比刚度与钢、铝合金几乎相同，比强度更是优于铝合金。几乎是钢的5倍。因此，镁合金在进行自行车架设计时，通过截面变化及表面处理等手段。可以减轻镁合金性能低的不利因素!改善镁合金的使用性能。
(2). 优异的减振性能
许多镁合金都具有优异的减振性能，能吸收冲击与振动。镁合金的单位减振性能比硬铝高100倍，比合金钢高20倍，比钛合金高300~500倍.这一特点使以镁合金为车架的自行车具有更好的骑行舒适性
(3).其他主要优点
镁合金的优点还有：①疲劳无记忆性能突出；②密度低，很大程度上减轻了车身质量；③接触性、生物相容性好，镁合金在生物领域的应用日益广泛，舒适的接触性，使其非常适合用于与人体紧密接触的零部件；④易于回收，环境负荷小，被称为‘绿色材料’。
●镁合金车架的缺点
1.耐腐蚀性差
2.焊接性能较差

综上所术：从外观上我们可以很容易的把这几种材料的车架区别开来。风格粗犷，造型狂野的是铝架。管体纤细，骨感十足的是钢架。而那没有任何涂装，浑身散发着金属光泽的就是钛架。碳纤维的表面则覆盖着各种3D布的表层，极具现代感。



二、碳纤维车架成型工艺分析
1 常见复合材料成型工艺
复合材料构件的成型完全不同于传统金属零件的翻造．它是材料形成与构件成型同时完
成的，构件性能与翻造工艺紧密相关，构件质量在很大程度上依赖于制造技术．碳纤维制品的成型，是指将碳纤维按不同方向、不同层数铺设出制品形状，在一定压力和温度下固化成型．而复合材料成型工艺，较常见的有以下5种．
1．1 裱糊成型工艺
它是用手工将预浸料裱糊在模具上，然后固化成型．此法最大的优点是工艺装备简单，靠手工完成比较复杂的操作，能加工出形状复杂的零件，适用于小批量生产；缺点是生产效率低，劳动条件差，劳动强度大．笔者采用该工艺试制出的碳纤维整体车架样件，表观质量尚可，但尺寸精度较差，工艺稳定性差．
1．2 纤维缠绕成型工艺
它是开发最早的连续成型工艺，即纤维通过树脂胶槽浸上树脂后按照一定的规律缠绕在
转动的芯模上，然后经加热使胶液固化成型．它的一个突出特点是能够按照制品的受力情况，
将纤维按一定规律排布，从而充分发挥纤维的强度，获得轻质高强的制品；在工艺上能实现连续化、机械化生产，并且生产周期短，生产效率高，劳动强度小，适用于制造圆柱体、球体及某些正曲率回转体或筒形制品．
1．3 拉挤工艺
它是发展速度较快的一种成型工艺，即纤维通过树脂槽浸渍树脂后进人加热模具固化，制成各种各样不同形状的型材．其优点是能一次压制出形状复杂、尺寸准确的零件，生产率高，但工艺装备复杂，不适于制备批量小、尺寸大的产品
1．4 树脂传递模压工艺(RTM)
RTM(resin transfer moulding)工艺是9o年代最热门的一种成型工艺，即先将增强材料
做成预成型件放人封闭模具中，在真空和压力的条件下，树脂被注人模具而固化成型．其特点是：1)工艺过程简单，避免了预浸料这一中阔环节；2)低压注胶，节约了附加设备的费用}3)封闭式模具操作，作业环境清洁；4)易于实现自动化和计算机控制；5)制件表面质量好．因此，RTM技术有很好的发展前景．
1．5 编织成型工艺
三维编织的过程是参加编织的所有纤维都沿同一方向排列，然后每根纤维束都沿自己的方向偏移一个角度互相交织形成织物的过程．采用三维编织的复合材料具有整体性力学的合理性两大特点，其在剪切强度、抗冲击损伤特性等性能方面均优于传统的层合复合材料，因此采用编织结构的复合材料发展迅速．三维编织分圆机和方机两种，用这两种机器可以编织出许多复杂的编织物．但这些复杂形状大多来源于两种基本形状——长方体和厚壁的圆管
2 碳纤维自行车整体车架成型工艺
成型工艺是碳纤维车架制品的关键环节，成型工艺的选择取决于制品的形状、物理性能要求和用途．笔者设计的有机形态自行车车架的结构具有自由形态的三维曲面、非等径结构、截面变化比较大等特点，因而无法采用缠绕法和拉挤法；而编织成型工艺，在编织之前，必须使用计算机对制作零件的编织物进行设计和计算，由于车架是三维自由曲面，难于构造出数学模型，无法进行编程计算，因此难以采用编织法 基于以上原因，在多方调研和分析比较的基础上，决定采用RTM 的改进工艺——真空辅助RTM成型工艺．
2．1 工艺装置
真空辅助RTM工艺装置(如图1)主要由树脂注射机、成型模具、抽真空设备三部分组成．


图1      RTM工艺装置示意图
2．1．1   树脂注射机由计量泵、注射头组成．计量泵含有树脂泵、固化剂泵及计量装置．树脂及固化剂经计量泵按一定的比例加压输入注射头中，经注射头混合后注入模具．这种方法注射速度易于控制，树脂和固化剂只在注射头中混合，因而可长期存放，且注射结束后易于清洗．
2．1．2   成型模具采用铝合金制造，铝合金模具使用寿命长(>25000次)，表面质量庭好．模具结构为组合形式，有定位、锁紧、开启、密封装置．注射口位于模具最低点即车架前脸管附近，排出口在树脂较难流到的车架后叉钩处．抽真空设备同排出口相连接，在注射机注射树脂的同时抽真空．这样能增加树脂传递压力t排除模具及树脂中的气泡和水分，并为树脂在模腔中打开通道，形成完整的通路，从而大大提高制品成功率，使得制品质量上升．
2．2 工艺特点及材料
RTM工艺的技术关键是树脂系统的选择．为了提高车架的质量，选用了韧性好、同碳纤维亲合力强的改性环氧树脂j153．要将树脂输送至模腔内并迫使树脂迅速浸润纤维，其粘度为0．025 Pa·s～O．030 Pa·s为最佳， 加热压注方式为好．
树脂传递压力是RTM工艺中应该控制的主要参数，此压力用来克服流入模腔和浸透碳纤维时所遇到的阻力．注射压力必须满足注射速度的要求t注射操作一般要求在树脂胶凝的1／4～1／2时间内完成，注射压力为0．3 MPa--0．5 MPa．
树脂完成传递的时间与系统压力和温度有关，时间短可提高生产效率，但如果树脂流量太大，胶液就来不及浸透碳纤维．因此，一般要求在传递过程中进入模具的树脂液面上升速度≤25 ram／rain．通过模具上的观察口(排出口)来监控树脂传递过程．
2.3工艺流程  如图2

图2  车架成型工艺流程图

3 结论
3．1   RTM 法可以实现复杂形状的车架一次整体性成型，从而简化了车架结构，并且减少了车架组成零件和联接零件的数量，因而能有效地减轻车架重量，降低工艺消耗和提高车架结构的使用性能．
3．2   RTM法成型形状复杂的制品比较方便．因为树脂在固化前具有一定的流动性，纤维很
柔软，能依靠模具形成所要求的形状和尺寸．这对单件和小批量产品尤为方便，是金属制品工艺无法相比的．
3．3   真空辅助RTM工艺制造的碳纤维自由形态自行车架的纤维浸润性好，层间结合力高，
力学性能良好．


三、车架的制造商明细录
1.东莞市聚鑫盈复合材料科技有限公司（碳纤维）
2. 宝鸡市杰姆工贸有限公司         （钛合金）

3. 龙南县维大复材科技有限公司     （碳纤维）