聚乙烯碳纤维或使自行车更轻、更强

DSM公司最近在德国的橡胶与塑料展上,展示了一款用超高分子量聚乙烯碳纤维材料(Dyneema Carbon)打造的自行车,这款车的辐条也是采用超高分子量聚乙烯碳纤维材料。DSM公司最近宣称:目前已经在向自行车品牌销售超高分子量聚乙烯碳纤维材料,高强度、超薄、柔韧的聚乙烯材料将会很快运用在自行车上。
  而这个时间节点,或许就在2018年。

  (DSM这辆公路车原型,车架和福条均采用Dyneema Carbon 打造)
  Dyneema是DSM公司的超高分子量聚乙烯材料Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMwPE),简单说就是一种超高强度的塑料。Dyneema被广泛运用在航空、航海以及运动行业。在自行车行业,SPECIALIZED, Castelli, Exteondo等品牌已经将超高分子量聚乙烯材料运用在骑行鞋,或骑行服上,提高产品耐磨、耐久等性能。
  超高分子量聚乙烯熔点低,耐冲击性能好。其突出的特性是与其极高的分子量分不开的。一般说来,只有平均分子量大于170万的超高分子量聚乙烯树脂,才具有常规分子聚乙烯所不具备、其它工程塑料无法比拟的优良性能。因此,人们通常把平均分子量超过170万的聚乙烯称之为超高分子量聚乙烯。

  (Specialized S-Works 6公路骑行鞋灰色部分采用了Dyneema材料)
  超高分子量聚乙烯材料拥有相当高的比强度,及比模量,强度相当于钢材的15倍,比模量仅次于特级碳纤维;然而密度只有0.97克/立方厘米(碳纤维的54%),比水(1克/立方厘米)的密度要小,可以浮于水面。断裂伸长低,断裂功大,具有很强的吸收能量的能力,因而具有突出的抗冲击性能和抗切割性能(耐磨度高)。而碳纤维材料的强度是钢材的10倍,平均密度大约为1.78克/立方厘米。
  传统碳纤维材料,在刚性、强度、轻量化等方面都有非常不错的表现,但在抗冲击性能上是短板,碳纤维的排布也比较难控制抗冲击的问题。而超高分子量聚乙烯材料,在耐冲击性方面有非常好的性能,在防弹衣、盾牌等军事装备上被广泛运用;正好可以弥补传统碳纤维这方面的短板,并且密度上比传统碳纤维材料更低,质量更轻。

  (Dyneema是非常强的塑料织物,Dyneema Carbon 则拥有比常规碳纤维更强的抗冲击性能)
  DSM公司将会与几家自行车公司合作,开发适用于自行车使用的超高分子量聚乙烯碳纤维材料,将超高分子量聚乙烯增加到碳纤维材料中,让碳纤维拥有更好的吸震性能,以及抗冲击性能。DSM公司甚至声称,将超高分子量聚乙烯材料加入碳纤维,将可以增加100%的能量吸收性能——是否未来的古典赛车,再也不用那么大费周章搞各种避震设计了呢?而超高分子量聚乙烯材料的加入,无疑将为自行车增加一层“防弹衣”,对山地车来说是个非常好的消息!
  不过,似乎超高分子量聚乙烯材料也并不适合直接用于制造车架,结合碳纤维是比较好的解决方案。因为它本身有3点不足:
  (1)不耐高温。PE的熔点只有150℃左右,不适宜在高温下使用;
  (2)纤维的抗蠕变能力较差,在持续受力作用下易发生形变,不适宜在持续受力的情况下使用;
  (3)因为结构具有化学惰性,表面极性较低,与其它材料的粘合性能较差,用于复合材料制造难度较大。
  150度的熔点作为车架来说,这个温度也略显有点低。而第(2)点的不足,让直接采用超高分子量聚乙烯造车架变得不太现实,说不定什么似乎车架就成“变形金刚”了!
  高性能材料加入,提升碳纤维性能有“先例”
  这个例子就是石墨烯。
  石墨烯(Graphene)既是最薄也是最强韧的二维材料,断裂强度比钢高200倍。同时它又有钢的6倍弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克便可以承受4kg 的重量。密度为0.77毫克/平方米(暂时没搞懂怎么将二维的重量单位转化为三维的单位)。
  Vittoria的碳纤维轮组加入石墨烯后,提高了10%以上的散热性、减少15%以上的材料重量、提升26%以上的材料体强度、提升18%以上的抗冲击能力、20%以上的辐条孔强度、24%以上的韧性以及50%以上的侧向刚性。
  综述:
  结合密度更低的超高分子量聚乙烯材料,无疑能够让当前的碳纤维车架变得更轻,更强。如果再结合石墨烯,个人认为自行车应该能够有更高的性能提升。当然,这是后话!
  基于当前的碳纤维材料技术,自行车界对于碳纤维性能的运用已经非常成熟;但作为复合材料,碳纤维跟更高性能材料的结合,还有更多的发挥空间。预计,在未来超高分子量聚乙烯材料加入之后,有望看到更多更轻、更强的山地车作品;同时也能有更多更舒适的高性能公路车上路。
  虽然不敢奢望超高分子量聚乙烯碳纤维材料带给自行车46%的减重,但是10%-15%,还是有可能实现的。最关键的,还是抗冲击性能和吸震性能的提升。
  科技在进步,超高分子量聚乙烯碳纤维将给自行车行业带来怎样的进步?拭目以待!
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