揭密碳纖維自行車——材料篇

一直想寫點碳纖維方面的東西，但苦於只知道理論，並不能深入碳纖維自行車的內幕，最近有機會到碳纖維自行車工廠進行學習並了解一些行業知識，現在提筆寫這篇文章更有意義。

當然還是要先說點理論，對於碳纖維大家都了解一些，但也都有一些誤區，廠商也正是利用了這點做宣傳，讓我們看不清本質。

碳纖維的生產

碳纖維有四大廠，分別是日本的東麗（行業霸主）、東邦、三菱，還有台灣的台塑。日本的碳纖維領先大陸30年，東麗已經有T1100的碳纖，國內研發成功T800也是因為有國家資金的扶持，但能否能穩定量產還是個問題。而且相同規格日本碳纖維的價格甚至比國產便宜，所以說如果自行車廠商宣稱自己用了日本進口碳纖，也是很正常的事。自行車工廠可以買到下面兩種原材料。

碳纖原絲，還需要經過混合樹脂編織的過程

預浸碳布，可以直接使用

碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維，密度是鋼材的幾分之一，但強度達到鋼材的10倍以上，其性能優勢可想而知。

碳纖維的製造分為原絲製造和碳化兩個關鍵過程。原絲製造簡單地說是先通過丙烯腈聚合和紡紗等工藝（另外還有一種是瀝青基），先聚合製成聚丙烯腈，再紡絲制出聚丙烯腈纖維原絲。聚丙烯腈原絲隨後進行預氧化、低溫和高溫碳化等步驟，最後進行表面處理、上漿烘乾並收絲就得到了碳纖維原絲。

碳絲只有混合一定比例的樹脂形成預浸布，才能進行下一步的貼合、預製、成型流程。混合了樹脂的碳布都有一定保存期，對於環境溫度要求較高，大型自行車工廠都會自己生產碳布來降低成本。

根據角度貼合碳布

我所學習的工廠就有能力自己織碳紗，用的工藝是低溫樹脂技術，把買來的碳絲（東邦T700）穿過調配好的樹脂溶液（樹脂配方是廠家的機密），再織成碳紗，單層的碳紗根據需要切成0度、30度、45度等，並把兩層碳紗以相反的角度貼合在一起，通過烘烤，揮發溶劑製成干紗板，就可以進入下一道工序。注意這裡使用的工藝相對簡單，碳布的均勻度並不是非常高，因此工廠會搭配使用購買的成品預浸布。

碳纖維工廠生產碳布

編織布和單向布

成品碳布分成編織布和單向布，編織布就是我們看到的碳纖紋路，很多人會覺得只有碳紋才能看出是碳纖維。

編織布

編織布的優點：外觀、層間剪應力高，強度低、貴，越小K的碳纖維編織出來的花紋越好看。一般編織只使用1K、3K的碳纖維作為外觀材料。1K是指一束中有1000根單絲，同理3K指一束中有3000根單絲。

單向布

單向布的優點：強度高且穩定，疊層角度可設計，便宜，隨著設計角度來應對不同的受力方向。單向布的強度遠高於編織布，碳纖自行車會使用10-30層單向布。單向布分成0、15、30、45度等，其中30、45度碳布用來抗扭，0度用來抗壓。一個車架根據設計使用不同角度的碳布，最終即要有硬度也要有強度。

高強度和高模量

東麗的T系列高強度碳纖，M系列高模量碳纖。X軸是拉伸模量，Y軸是拉伸強度

說到硬度和強度，就不得不提碳纖維的兩個最關鍵的指標，也是碳纖維命名和分級的依據。強度用拉伸強度表示，硬度用拉伸模量表示。

拉伸強度是指材料能承受的最大應力，達到此應力時結構發生破壞。說白了就是拉伸強度越大越結實，車架強度越高。比如東麗最大拉伸強度的T1100達到6600MPa（百萬牛頓每平方米），Pinarello動作很快，F10和F8已經用上了T1100，並稱之為「夢幻碳纖」。為何以Pinarello為代表，因為在大廠里它是清楚說明所用碳纖型號的。

拉伸模量是指受正應力時的彈性模量（應力和應變的比值），越高表示材料的形變越小，也就是車架剛性越高。東麗的M系列就是高模量碳纖，高端車架都會宣稱自己用了高模量碳纖（hi-mod），也就是剛性高啊，硬梆梆不變形。

東麗的M60JB的拉伸模量達到588GPa，這個單位很複雜，因此業內一般會用多少噸來表示，如T300、T400和T700雖然拉伸強度不同，但拉伸模量是很接近的，都會稱為24T（噸），T800和T1000是30T，而M60就是60T，所以說東麗M系列碳纖是神一般的存在。早期Pinarello頂級公路宣稱使用東麗M65碳纖，現在換成了T1100，雖然拉伸強度大幅提升，但拉伸模量卻遠遠不及，可見十全十美的東西是不存在的，要達到最佳效果必須混用T和M系列碳纖。

順便提一下玻璃纖維，玻纖也是好東西，抗撕能力比碳纖強，因此碳架在開孔的地方會貼一層玻纖來加強，但是玻璃纖維的拉伸模量只有碳纖的四分之一或更低。很多便宜（山寨）的車架會大量使用玻纖降低成本，反正裡面你也看不見，這也是我們購買碳纖產品要選擇正規品牌和工廠的原因。

碳纖維的級別

T系列是高強度碳纖，M系列是高模量碳纖。T系列從低到高，拉伸強度越來越高，但就算是最高強度的T1100的拉伸模量也比不上M系列最低的M35JB。東麗公司出產的各種碳纖維型號中，還有不同的字母後綴，其中J代表比基本型號增強了拉伸強度，H表示相比基本型和J型號增強了拉伸強度和拉伸模量，S代表拉伸強度最高的型號，G代表在S型號基礎上進一步增強拉伸模量和粘合性能的型號。

伸長率是指拉伸多少比率會產生結構破壞，這個值越大越好。

我們看到1K、3K的碳纖都是低端貨，只能作為外觀材料。T300到T700的拉伸模量都相同，T800就有較大提升，因此T800的價格會是T700的三倍，可以說是中端和高端自行車的一個分界線。T系列強度增加，模量也增加，但是M系列則相反，模量越高強度越低，因此整車都用高模量的M60顯然不現實。一般會用M系列進行模量補強，想要控制價格不採用M系列碳布，會使用T700模量補強碳布。高端車架不會只使用T系列或M系列，比如用M60進行模量補強，用T1000進行強度補強，那些號稱使用T1000的自行車只要達到強度和重量要求也會用T700來降低成本。

Pinarello在宣傳上是箇中好手，還沒有T1100時，為了突出獨家性，聲稱採用東麗M65碳纖，現在東麗推出T1100，那麼就宣稱F10和F8用的是T1100，至於用多少消費者並不知道。

啰啰嗦嗦寫了一大堆，希望對大家理解碳纖給有幫助，下篇會是車架成型的文章。