德国不锈钢琴钢线(自行车材料选择碳纤维一定比铝合金好吗？)

Posted 2023-05-26

篇首语：非淡泊无以明志，非宁静无以致远。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了德国不锈钢琴钢线(自行车材料选择碳纤维一定比铝合金好吗？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

德国不锈钢琴钢线(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。

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，而第一题爱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，最终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

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。

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。

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。

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

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

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

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。

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

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？

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？

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。

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。

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。

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。

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。

编辑：滨

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