自行車自問世以來，其制造材料從最初的木質(zhì)材料，到普通碳素鋼、鉻相鋼和鉻錳鋼，到鈦合金、鋁合金、鎂合金、鈧合金等輕合金材料，還有新型的碳纖維、玻璃纖維復(fù)合材料等非金屬材料。自行車制造材料的革新，其力學(xué)結(jié)構(gòu)、工藝造型、機(jī)械構(gòu)造等也隨著不斷迭代，更推動(dòng)著自行車性能提高和功能增加。當(dāng)今，自行車已經(jīng)從最初代步的交通工具，拓展為健身、競賽器材以及休閑娛樂用品。特別是碳纖維在自行車制造中廣泛的應(yīng)用，給自行車產(chǎn)業(yè)帶來全新的革命。

碳纖維自行車全稱是碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料自行車，其制造材料是碳纖維和樹脂的結(jié)合物。碳纖維和樹脂在復(fù)合材料中的作用不分伯仲，彼此缺一不可。如果將復(fù)合材料比作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，碳纖維相當(dāng)于承載負(fù)荷的鋼筋，而樹脂則相當(dāng)于混凝土，起到結(jié)構(gòu)成型、固定碳纖維和力的傳遞作用，對碳纖維自行車騎乘質(zhì)量和車體性能起著決定性作用。

1 碳纖維自行車的特點(diǎn)

制造材料的物理特性和化學(xué)特性決定著自行車的性能。材料密度是決定自行車自身質(zhì)量的重要因素；材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長率等會(huì)影響自行車的剛性、強(qiáng)度、騎乘感受以及外觀等。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維自行車有著諸多優(yōu)勢。

1.1 質(zhì)量輕、操縱性好

碳纖維復(fù)合材料的密度僅為鋼的20%，鋁的50%，理論上講，碳纖維自行車比鋼或鋁金屬材料自行車質(zhì)量減輕30%，有效騎行力增加45%以上。最輕的碳纖維車架可以做到0.7 kg以內(nèi)，競技碳纖維自行車質(zhì)量僅有7～8 kg，但鋁合金車架質(zhì)量很難低于1 kg，因此，碳纖維自行車有更好的機(jī)動(dòng)性能和加速性能。

1.2 安全性高

碳纖維抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的4 倍以上，可以承受極大的力學(xué)沖擊；與金屬材料相比，其具有很好的斷裂韌性和良好的耐疲勞性，而且即使斷裂也是從基質(zhì)開始，具有可視性。這些都大大提高了自行車騎乘的安全性。

1.3 舒適性好

碳纖維彈性模量接近鋁合金彈性模量的3倍，受力之后的彈性形變小，自振頻率高，不易出現(xiàn)共振，良好的共振阻尼，提高了自行車的減震能力。碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件不易變形，且剛性高，力的傳導(dǎo)性好，使得碳纖維車架踩起來更“硬”，使車手騎行更好“發(fā)力”、更省勁，有路感。

1.4 抗逆性強(qiáng)

碳纖維復(fù)合材料對一般的酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，完全不存在生銹的問題。

當(dāng)然，碳纖維徑向的強(qiáng)度很小，碳纖維復(fù)合材料車架或零件抗尖銳物沖擊能力較差。另外，作為復(fù)合材料基體的樹脂受陽光直射易于老化。隨著科技的進(jìn)步，相信碳纖維自行車這些不足將會(huì)不斷得到優(yōu)化改進(jìn)。

2 碳纖維自行車部件的制造工藝

碳纖維作為一種含碳量在90%以上的纖維狀碳素材料，兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，鑒于此，碳纖維自行車制造工藝有以下特點(diǎn)。

2.1 造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度大

從力學(xué)性能上講，碳纖維軸向和徑向的強(qiáng)度不一樣，應(yīng)力取向沿纖維軸方向有非常高的強(qiáng)度，而徑向就很小。因此在制作自行車部件時(shí)，根據(jù)碳纖維的這一力學(xué)特點(diǎn)，利用疊層技術(shù)可以對碳纖維進(jìn)行合理排列和鋪放，以達(dá)到自行車部件的受力或載荷要求，特別是隨著新型碳布的開發(fā)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上幾乎可以不受限制地進(jìn)行優(yōu)化。金屬材料的自行車構(gòu)件，合金的配方基本固定，其力學(xué)性能不會(huì)有大的變化，而且受焊接技術(shù)以及管件成型工藝的限制，在造型和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上受到很多限制。當(dāng)然，在碳纖維復(fù)合材料輪圈在制造上仍存在諸多技術(shù)問題，還有許多需要攻克的技術(shù)難題。

（后續(xù)詳見碳纖維自行車的發(fā)展與展望（二））

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