CN108202558A - 碳纤维轮圈及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维轮圈及其制造方法，所述碳纤维轮圈包含轮圈本体和补强层。补强层设置于轮圈本体的表面，所述补强层是由具有等向性的纤维纸制成。利用补强层可增加碳纤维轮圈的耐磨耗性能且能达成轻量化。

Description

碳纤维轮圈及其制造方法
技术领域
本发明是有关于一种轮圈及其制造的方法，特别是指一种碳纤维轮圈及其制造方法。
背景技术
由于碳纤维复合材料具有高强度低比重的材料特性，为了追求轻量化，近年碳纤维复合材料已逐渐成为多种结构件所采用的材料，其中也包含应用于相关车辆的传动元件，例如自行车的轮圈结构正适合使用碳纤维复合材料，也逐渐成为高性能自行车市场上的主流。
但由于碳纤维复合材料主要是以纤维材料与高分子材料组合而成，当碳纤维复合材料受外力摩擦而产生持续高温的状态时，高温就会破坏其高分子材料结构而造成整体结构强度下降，如此将导致使用高分子材料的元件结构无法承受其荷重及冲击，而产生意外破坏的情况。
此外，高温状态下的碳纤维复合材料也较不耐磨耗，当轮圈结构使用碳纤维复合材料受到煞车元件长时间摩擦时，两者之间产生高温会让轮圈结构较不耐磨耗，进而降低轮圈结构的使用寿命。
现今市面上出现一种自行车碳纤维轮圈结构，在轮圈剎车面上披覆或镶埋金属或陶瓷等耐温耐磨粒子，以提升碳纤维轮圈的耐磨性，但耐温耐磨粒子常易发生剥离失效，且披覆或镶埋耐温耐磨粒子会增加碳纤维轮圈的整体重量，以及成形工序复杂，显著提高此种碳纤维轮圈的制造成本。另外，市面上又出现另一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其在轮圈煞车边上覆盖一层金属镀层的编织布，以提升导热性，主要通过金属镀层编织布提升碳纤维轮圈的散热效果，但编织布会明显使碳纤维轮圈的重量增加，且编织布具因有方向性，会造成不均向导热特性，并且在制造碳纤维轮圈时需顾及纹路方向，因而造成作业成本提高过多。
所以本发明是为解决碳纤维复合材料元件的结构强度无法承受高温的问题，并提升碳纤维复合材料元件的耐磨耗性能与导热性，确实能突破碳纤维复合材料长久以来存在的问题。
发明内容
因此，本发明提供一种可以增加于高温耐磨耗性能、导热性及增加良品率的碳纤维轮圈及其制造方法，利用补强层设置于碳纤维轮圈最外层，以提升碳纤维轮圈的耐磨耗性能和导热性。
本发明结构态样提供一种碳纤维轮圈，其相对应设置在二煞车元件之间。碳纤维轮圈包含有一轮圈本体和一补强层。轮圈本体是由碳纤维复合材料制成。补强层设置于轮圈本体的表面上，前述补强层是由具有等向性的纤维纸制成，前述等向性是指由纤维纸中方向随机散布的纤维所造成材料的性质或强度在各方向均为一致，且纤维纸的厚度为0.05mm至2mm。
依据前述的碳纤维轮圈，轮圈本体具有间隔设置的二煞车部，且所述补强层设置于二煞车部相对应二煞车元件的表面上。
依据前述的碳纤维轮圈，所述纤维纸由复数不同方向纤维所构成，纤维纸的纤维长度可为1mm至25mm，而纤维纸可由多数纯碳纤维所组成、多数镀金属碳纤维所组成、多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成，或多数纯碳纤维混合金属纤维、陶瓷纤维(例如碳化硅SiC纤维)、无机纤维(例如玻璃纤维)和矿物纤维(例如玄武岩纤维)或热塑性纤维(例如尼龙纤维)所组成，并可进一步含有耐磨耗颗粒如金属、陶瓷或矿物类颗粒(例如碳化硅SiC、氧化铝Al2O3或二氧化硅SiO2)，当所述纤维纸由多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成时，其中纯碳纤维的含量大于0％且小于100％，镀金属碳纤维的含量大于0％且小于100％。值得一提的是，镀金属碳纤维可为镀镍碳纤维，而镀镍碳纤维表面镀镍含量可为10重量百分比至65重量百分比。
借此，利用补强层设置于煞车部相对应煞车元件的表面上，可以提升碳纤维轮圈的耐磨耗性能和导热性，且补强层因本身轻薄，且因表面导流效果增加树脂流出率，使轮圈重量甚至比一般更为减轻，因而碳纤维轮圈的整体重量几乎不会增加。此外，补强层所使用的纤维纸能阻隔具黏性碳纤维复合材料与热模具的直接接触，进而促进空气排出而有助于所制成的碳纤维轮圈的外观表面品质，且纤维纸的纹路色泽均一而有一致性外观，可遮盖下层碳纤维复合材料的表面缺陷，进而大幅提高碳纤维轮圈的良品率。
本发明方法态样提供一种碳纤维轮圈的制造方法，其应用于制造前述碳纤维轮圈。碳纤维轮圈的制造方法包含下步骤：提供具有等向性的纤维纸，其厚度为0.05mm至2mm；将纤维纸与制造轮圈本体的碳纤维复合材料一同铺设于轮圈模具中；以及加热固化纤维纸和碳纤维复合材料，以形成碳纤维轮圈。
依据前述的碳纤维轮圈的制造方法，所述纤维纸由复数不同方向纤维所构成，纤维纸可由多数纯碳纤维所组成、多数镀金属碳纤维所组成，或多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成，当所述纤维纸由多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成时，其中纯碳纤维的含量大于0％且小于100％，镀金属碳纤维的含量大于0％且小于100％。
借此方法，因所使用的纤维纸为等向性，无特定方向性，在制造碳纤维轮圈时无需顾及纹路方向，仅需简易贴附工序，不会增加太多作业成本。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1绘示本发明的碳纤维轮圈的一实施方式的立体剖视图；
图2绘示图1中碳纤维轮圈的平面剖视图；
图3绘示本发明的碳纤维轮圈的另一实施方式的立体剖视图；
图4绘示图3中碳纤维轮圈的平面剖视图；以及
图5绘示本发明碳纤维轮圈的制造方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的多个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，这些实务上的细节不应该用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示。
请一并参阅图1至图2，图1绘示碳纤维轮圈100的一实施方式的立体剖视图，图2则绘示图1中碳纤维轮圈100的平面剖视图。依据本发明结构态样提供一种使用在自行车上的碳纤维轮圈100，其与一煞车元件(未绘制)相对应设置。碳纤维轮圈100包含一轮圈本体110及一补强层120。
轮圈本体110是由碳纤维复合材料制成，且轮圈本体110主要包含有高强度的纤维材料及提供纤维间结合力的高分子材料。
补强层120设置于轮圈本体110的表面上。补强层120是由具有等向性的纤维纸制成，所述的“等向性”是指由纤维纸中方向随机散布的纤维所造成的材料的性质或强度在各方向均为一致，补强层120所使用的纤维纸每单位面积重量及厚度具均匀性，纤维方向为不具有特定方向性的随机分布。进一步地说，补强层120所使用的纤维纸内的纤维长度可为1mm至25mm，优选为3mm至6mm。重量可为3g/m2至40g/m2。而纤维纸可由多数纯碳纤维所组成、多数镀金属碳纤维所组成，多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成，或多数纯碳纤维混合金属纤维、陶瓷纤维(例如碳化硅SiC纤维)、无机纤维(例如玻璃纤维)和矿物纤维(例如玄武岩纤维)或热塑性纤维(例如尼龙纤维)所组成，并可进一步含有耐磨耗颗粒如金属、陶瓷或矿物类颗粒(例如碳化硅SiC、氧化铝Al2O3、二氧化硅SiO2)。当所述纤维纸由多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成时，其中纯碳纤维的含量大于0％且小于100％，镀金属碳纤维的含量大于0％且小于100％。所述镀金属碳纤维可为镀镍碳纤维，而镀镍碳纤维表面镀镍含量可为10重量百分比至65重量百分比。
通过此一实施方式，利用补强层120设置轮圈本体110的表面上，不但具有增加碳纤维轮圈100的耐磨耗性能和导热性。此外，补强层120所使用的纤维纸能阻隔具黏性碳纤维复合材料与热模具的直接接触，进而促进空气排出而有助于所制成的碳纤维轮圈100的外观表面品质，且纤维纸的纹路色泽均一而有一致性外观，可遮盖下层碳纤维复合材料的表面缺陷，进而大幅提高碳纤维轮圈100的良品率，因此通过此一实施方式，可以进一步解决传统碳纤维轮圈成形时，常因表面局部缺陷或碳纤维复合材料包夹空气，导致需后续修补增加成本或严重时报废的问题。
请再参阅图3至图4，图3绘示本发明的碳纤维轮圈100的另一实施方式的立体剖视图，图4则绘示图3中碳纤维轮圈100的平面剖视图。依据本发明结构态样提供另一种使用在自行车上的碳纤维轮圈100，其相对应设置在二煞车元件(未绘制)之间。碳纤维轮圈100包含有一轮圈本体110以及二补强层120。
轮圈本体110采用碳纤维复合材料，主要包含有高强度的纤维材料及提供纤维间结合力的高分子材料。自行车的轮圈本体110进一步包含有间隔设置的二煞车部111。
二补强层120分别设置于二煞车部111相对应二煞车元件的表面112上。补强层120是由具有等向性的纤维纸制成，且纤维纸的厚度为0.05mm至2mm。所述的“等向性”是指由纤维纸中方向随机散布的纤维所造成的材料的性质或强度在各方向均为一致，补强层120所使用的纤维纸每单位面积重量及厚度具均匀性，纤维方向为不具有特定方向性的随机分布。进一步地说，补强层120所使用的纤维纸内的纤维长度可为1mm至25mm，优选为3mm至6mm。重量可为3g/m2至40g/m2。而纤维纸可由多数纯碳纤维所组成、多数镀金属碳纤维所组成、多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成，或多数纯碳纤维混合金属纤维、陶瓷纤维(例如碳化硅SiC纤维)、无机纤维(例如玻璃纤维)和矿物纤维(例如玄武岩纤维)或热塑性纤维(例如尼龙纤维)所组成，并可进一步含有耐磨耗颗粒如金属、陶瓷或矿物类颗粒(例如碳化硅SiC、氧化铝Al2O3、二氧化硅SiO2)。当所述纤维纸由多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成时，其中纯碳纤维的含量大于0％且小于100％，镀金属碳纤维的含量大于0％且小于100％。所述镀金属碳纤维可为镀镍碳纤维，而镀镍碳纤维表面镀镍含量可为10重量百分比至65重量百分比。
通过前述实施态样，利用补强层120设置在煞车部111相对应煞车元件的表面112上，可增加碳纤维轮圈100的耐磨耗，若补强层120所使用的纤维纸中含有镀金属碳纤维，则可进一步提升碳纤维轮圈100的导热性，达到避免轮圈本体110材料因持续高温产生破坏的目的。且因补强层120所使用的纤维纸重量轻厚度薄，对于碳纤维轮圈100整体的重量不会有影响。
请参阅图5，图5绘示本发明碳纤维轮圈的制造方法200的步骤流程图，应用于制造前述图1中碳纤维轮圈100或图3中碳纤维轮圈100。碳纤维轮圈的制造方法200包括步骤210、步骤220和步骤230。
步骤210为提供具有等向性的一纤维纸，其厚度为0.05mm至2mm，且纤维纸每单位面积重量及厚度具均匀性，纤维方向为不具有特定方向性的随机分布。补强层120所使用的纤维纸内的纤维长度可为1mm至25mm，优选为3mm至6mm。重量可为3g/m2至10g/m2。而纤维纸可由多数纯碳纤维所组成、多数镀金属碳纤维所组成、多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成，或多数纯碳纤维混合金属纤维、陶瓷纤维(如碳化硅SiC纤维)、无机纤维(如玻璃纤维)和矿物纤维(如玄武岩纤维)或热塑性纤维(如尼龙纤维)所组成，并可进一步含有耐磨耗颗粒如金属、陶瓷或矿物类颗粒(如碳化硅SiC、氧化铝Al2O3或二氧化硅SiO2)。当所述纤维纸可由多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成时，其中纯碳纤维的含量大于0％且小于100％，镀金属碳纤维的含量大于0％且小于100％。所述镀金属碳纤维可为镀镍碳纤维，而镀镍碳纤维表面镀镍含量可为10重量百分比至65重量百分比。
步骤220，将前述的纤维纸覆盖轮圈本体110的煞车部111或与制造轮圈本体110的碳纤维复合材料一同铺设于轮圈模具中，所述碳纤维复合材料，主要包含有高强度的纤维材料及提供纤维间结合力的高分子材料。
步骤230，加热固化前述纤维纸和前述碳纤维复合材料，以形成碳纤维轮圈100。其中纤维纸紧密地披覆于碳纤维复合材料表面成一体成形的碳纤维轮圈100。
本发明所提出的碳纤维轮圈的制造方法200，因所使用的纤维纸为等向性，无特定方向性，在制造碳纤维轮圈100时无需顾及纹路方向，仅需简易贴附工序，不会增加太多作业成本。
<试验例>
为测试本发明的补强层120可增加的耐磨耗性能，本试验例是以自行车的煞车皮为研磨物，而披覆本发明的补强层120碳纤维复合材料试片为被磨物，于负载10公斤、速度180次/分钟和高温120℃的测试条件，以磨耗试验机进行高温磨耗试验，其中对照组为不具有补强层的煞车皮基底试片，实施例1-4为外加本发明的补强层120的碳纤维复合材料试片。实施例1的补强层120为以1层纤维纸所制成，其中纤维纸为以25％镀镍碳纤维混合75％纯碳纤维所组成，每层纤维纸的重量为5g/m2。实施例2的补强层120为以2层纤维纸所制成，其中纤维纸为以25％镀镍碳纤维混合75％纯碳纤维所组成，每层纤维纸的重量为5g/m2。实施例3的补强层120为以1层纤维纸所制成，其中纤维纸为以100％镀镍碳纤维所组成，每层纤维纸的重量为10g/m2。实施例4的补强层120为以1层纤维纸所制成，其中纤维纸为以100％纯碳纤维所组成，每层纤维纸的重量为10g/m2。高温磨耗试验结果如下表一所示。
表一、高温磨耗试验结果
高温磨耗试验结果显示，实施例1可使碳纤维复合材料试片表层的磨穿次数由1200-1350次提升至2500-2800次，而实施例2、实施例3和实施例4则可使煞车皮的磨穿次数由1200-1350次提升至4000-4200次，显示外加本发明的补强层120可以显著提升煞车皮的耐磨耗能力，且由表一的结果显示，当增加所使用的纤维纸层数或增加纤维纸中镀镍碳纤维含量时，煞车皮的耐磨耗效果越好，但却可能会使碳纤维轮圈100的整体重量增加，因此实施本发明时，可以不同比例混和纯碳纤维和镀镍碳纤维达到最佳化的效果。
此外，本试验另比对测试本发明的碳纤维轮圈100与未披覆补强层的碳纤维轮圈于150℃至300℃高温下的煞车能力，其中于本试验所使用的补强层120是由以重量为10g/m2的100％镀镍碳纤维的纤维纸所制成。试验结果显示，本发明的碳纤维轮圈100与未披覆补强层的碳纤维轮圈相较，以同样热变形量及表面磨损程度比较，可提升碳纤维轮圈100六倍以上的耐高温煞车能力。
通过前述实施方式及实施例可得知，本发明的碳纤维轮圈及其制造方法有下述优点：
一、利用补强层设置在煞车部相对应煞车元件的表面上，可增加碳纤维轮圈于120℃以上的高温煞车时的耐磨耗性能，维持良好的煞车力，且若补强层所使用的纤维纸中含有镀金属碳纤维，则可进一步提升碳纤维轮圈的导热性，达到避免轮圈本体材料因持续高温产生破坏的目的。
二、因补强层所使用的纤维纸重量轻厚度薄，且因表面导流效果增加树脂流出率使轮圈重量甚至比一般更为减轻，对于碳纤维轮圈整体的重量几乎不会有影响，且纤维纸为干布，能阻隔具黏性碳纤维复合材料与热模具的直接接触而导致略增加的树脂流出量，因此反而可减轻碳纤维轮圈的整体重量。
三、操作过程简便，因补强层所使用的纤维纸为等向性，在制造碳纤维轮圈时无需顾及纹路方向，仅需于入模成形时贴附于轮圈本体的碳纤维复合材料表面，而不需后续工序。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种碳纤维轮圈，其相对应设置在二煞车元件之间，该碳纤维轮圈其特征在于包含：
一轮圈本体，是由碳纤维复合材料制成；以及
一补强层，设置于该轮圈本体的表面上，该补强层是由具有等向性的一纤维纸制成，其中该纤维纸的厚度为0.05mm至2mm。
2.根据权利要求1所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该轮圈本体具有间隔设置的二煞车部，且该补强层设置于该二煞车部相对应该二煞车元件的表面上。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该纤维纸的纤维长度为1mm至25mm。
4.根据权利要求1或2所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该纤维纸是由多数纯碳纤维所组成。
5.根据权利要求1或2所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该纤维纸是由多数镀金属碳纤维所组成。
6.根据权利要求5所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该镀金属碳纤维为镀镍碳纤维。
7.根据权利要求6所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该镀镍碳纤维表面镀镍含量为10重量百分比至65重量百分比。
8.根据权利要求1或2所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该纤维纸是由多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成，该纯碳纤维的含量大于0％且小于100％，该镀金属碳纤维的含量大于0％且小于100％。
9.根据权利要求1或2所述的碳纤维轮圈，其特征在于，该纤维纸由复数不同方向纤维所构成。
10.一种碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，包含：
提供具有等向性的一纤维纸，其厚度为0.05mm至2mm；
将该纤维纸与制造一轮圈本体的一碳纤维复合材料一同铺设于一轮圈模具中；以及
加热固化该纤维纸和该碳纤维复合材料，以形成该碳纤维轮圈。
11.根据权利要求10所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，该纤维纸由复数不同方向纤维所构成。
12.根据权利要求10所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，该纤维纸是由多数纯碳纤维所组成。
13.根据权利要求10所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，该纤维纸是由多数镀金属碳纤维所组成。
14.根据权利要求10所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，该纤维纸是由多数纯碳纤维混合多数镀金属碳纤维所组成，该纯碳纤维的含量大于0％且小于100％，该镀金属碳纤维的含量大于0％且小于100％。
15.根据权利要求13或14所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，该镀金属碳纤维为镀镍碳纤维。
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