CN110527249B - 复合轮圈及其补强预浸材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合轮圈及其补强预浸材料。补强预浸材料用于形成一刹车边耐磨层结构且包含一纤维织物以及一混合物，混合物与纤维织物混合且包含一树脂及多个多针状晶体，多针状晶体与树脂混合，且各多针状晶体为微米尺寸。借此，由此补强预浸材料制成的刹车边耐磨层结构可提升复合轮圈的耐磨性能。

Description

复合轮圈及其补强预浸材料

技术领域

本发明是关于一种复合轮圈及其补强预浸材料，且尤其是关于一种以复合材料制成的复合轮圈及其补强预浸材料。

背景技术

自行车的刹车方式可概分为碟刹及夹器刹车两种，此两者的差别在于产生制动力的机制不同。碟刹的作用机制是以刹车来令片夹持碟盘，进而使行进中的自行车速度减慢而停止；夹器刹车的作用机制则是以橡胶材质的刹车块夹持轮圈的刹车边，通过刹车块与轮圈间产生摩擦力使速度减慢。而对于不断追求极致轻量化的自行车用的碳纤维产品来说，碟刹机构所包含的机械结构相对复杂且必须牺牲重量上的优势；反观夹器刹车，其相对而言不需要如此复杂的结构，且在重量与成本上都具有绝对的优势。

夹器刹车的作用机制如上所述，是直接通过橡胶材质的刹车块夹持轮圈表面刹车边，进而产生摩擦力，使处于行进状态的自行车轮圈减速并停止。然而，在刹车块与轮圈接触磨耗的过程中，两者皆产生极大的耗损，久而久之，将对碳纤维轮圈结构产生不可回复的伤害，例如碳纤维轮圈外观上的碳纤维裸露及凿痕，或碳纤维轮圈本体强度的破坏等缺陷，连带使得消费者在使用刹车时产生安全疑虑。

此外，若在下雨天等更加严酷的天候条件下骑乘时，泥水中夹带的砂粒容易被卡在刹车块与轮圈之间，在此状况下使用刹车，相当于使用尖锐的砂粒切削碳纤维轮圈的表面，往往在雨天骑乘后，可观察到轮圈的刹车刹车边上布满了一圈圈的深沟。

目前一般常见的补强方式是在容易受到磨耗的区域增加一定的厚度(约 0.1毫米至0.3毫米)的碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维预浸布表层于刹车边的位置，虽此表层与碳纤轮圈是一体成型的，但这些纤维材料在本质上并未较轮圈主体的碳纤维更耐磨，因此，需要增加预浸布的厚度来延缓刹车边明显破损情况的发生，但此方法并非好的解决方式。另一方面，虽然轮圈主体表面外加的碳纤维布可提供主结构基本的保护，但相对地也增加了不少重量，且此等结构层对于轮圈外观破坏的改善也极为有限，即便因磨耗产生的脱纱、磨痕、凿痕等问题并不会立即造成轮圈强度上的破坏，但仍可能带给消费者不好的感受，甚至导致客诉或导致消费者不愿意选购此类有安全性疑虑的商品的结果。

有鉴于此，如何有效地改善碳纤维轮圈刹车边的耐磨耗性能同时维持轻量化的需求，遂成相关业者努力的目标。

发明内容

本发明提供一种复合轮圈及其补强预浸材料，透过多针状晶体的添加，可提升刹车边耐磨层结构的耐磨性能。

依据本发明的一态样的一实施方式提供一种补强预浸材料，其用于与用以制成一复合轮圈的一主体的预浸布贴合并固化而形成复合轮圈的一刹车边耐磨层结构且包含一纤维织物以及一混合物，纤维织物的材料为液晶高分子纤维，混合物与纤维织物混合且包含一树脂及多个多针状晶体，多针状晶体与树脂混合，且各多针状晶体为微米尺寸，多针状晶体于混合物的比例为10-25phr。

借此，多针状晶体可改善树脂本身耐磨性不佳的问题，更可以增加树脂与纤维织物的结合效果，而能避免纤维织物外露损伤，提升耐磨性能。

依据前述的补强预浸材料的多个实施例，其中各多针状晶体的材料可为无机非金属材料。或各多针状晶体的材料可为氧化锌、氧化镁或硫化锌。或各多针状晶体可具有一针径及一针长，针径介于0.5微米至10微米之间，针长介于10微米至100微米之间。或者，各多针状晶体可具有三针或四针锥形结构。

依据前述的补强预浸材料的多个实施例，其中混合物在补强预浸材料中的重量百分比可为30％至60％；较佳地，混合物在补强预浸材料中的重量百分比可为35％至45％。

依据本发明的一态样的另一实施方式提供一种复合轮圈，复合轮圈由制成复合轮圈的一主体的预浸布与一补强预浸材料贴合固化而成，补强预浸材料包含一纤维织物以及一混合物，纤维织物的材料为液晶高分子纤维，混合物与纤维织物混合且包含一树脂及多个多针状晶体，多针状晶体与树脂混合，且各多针状晶体为微米尺寸，多针状晶体于混合物的比例为10-25phr。

依据前述的复合轮圈的多个实施例，其中各多针状晶体的材料可为氧化锌、氧化镁或硫化锌。或各多针状晶体可具有一针径及一针长，针径介于0.5 微米至10微米之间，针长介于10微米至100微米之间。或者，各多针状晶体可具有三针或四针锥形结构。补强预浸材料贴合固化形成的一刹车边耐磨层结构的厚度介于0.1毫米至0.5毫米之间。或其中复合轮圈的径向外部可具第一径向宽度，补强预浸材料贴合固化形成的一刹车边耐磨层结构于复合轮圈的表面具第二径向宽度，第二径向宽度小于等于第一径向宽度。

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的一种补强预浸材料的剖视示意图；

图2绘示图1的针状晶体的立体示意图；

图3绘示依照本发明另一实施例的一种刹车边耐磨层结构应用于一复合轮圈的部分剖视示意图；

图4A绘示依照本发明又一实施方式的刹车边耐磨层结构应用于复合轮圈的部分剖视示意图；

图4B绘示依照本发明再一实施例的一种刹车边耐磨层结构应用于一复合轮圈的部分剖视示意图；

图4C绘示依照本发明更一实施例的一种刹车边耐磨层结构应用于一复合轮圈的部分剖视示意图；

图5A绘示刹车边耐磨层结构的第1比较例的一般耐磨测试结果图；

图5B绘示本发明的刹车边耐磨层结构的第1实验例的一般耐磨测试结果图；

图5C绘示本发明的刹车边耐磨层结构的第2实验例的一般耐磨测试结果图；

图6绘示刹车边耐磨层结构的(A)第2比较例、(B)第1比较例、(C)本发明的刹车边耐磨层结构的第2实验例与(D)第3比较例的泥沙耐磨测试结果图；

图7A绘示刹车边耐磨层结构的第2比较例的泥沙耐磨测试结果图；

图7B绘示刹车边耐磨层结构的第1比较例的泥沙耐磨测试结果图；

图7C绘示本发明的刹车边耐磨层结构的第2实验例的泥沙耐磨测试结果图；

图7D绘示刹车边耐磨层结构的第3比较例的泥沙耐磨测试结果图；

图8A绘示刹车边耐磨层结构的第2比较例的泥沙耐磨测试结果的放大图；

图8B绘示刹车边耐磨层结构的第1比较例的泥沙耐磨测试结果的放大图；

图8C绘示本发明的刹车边耐磨层结构的第2实验例的泥沙耐磨测试结果的放大图；

图8D绘示刹车边耐磨层结构的第3比较例的泥沙耐磨测试结果的放大图；

图9A绘示复合轮圈的第4比较例的一般耐磨测试结果图；以及

图9B绘示应用本发明刹车边耐磨层结构的复合轮圈的第3实验例的一般耐磨测试结果图。

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的实施例。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，阅读者应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。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，一些习知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示，且重复的元件将可能使用相同或类似的编号表示。

此外，本文中当某一元件(或机构或模组等)“连接”、“设置”或“耦合”于另一元件，可指所述元件是直接连接、直接设置或直接耦合于另一元件，亦可指某一元件是间接连接、间接设置或间接耦合于另一元件，意即，有其他元件介于所述元件及另一元件之间。而当有明示某一元件是“直接连接”、“直接设置”或“直接耦合”于另一元件时，才表示没有其他元件介于所述元件及另一元件之间。而第一、第二、第三等用语只是用来描述不同元件或成分，而对元件/成分本身并无限制，因此，第一元件/成分亦可改称为第二元件/成分。且本文中的元件/成分/机构/模组的组合非此领域中的一般周知、常规或习知的组合，不能以元件/成分/机构/模组本身是否为习知，来判定其组合关系是否容易被技术领域中的通常知识者轻易完成。

请参阅图1及图2，其中图1绘示依照本发明一实施例的一种补强预浸材料100的剖视示意图，图2绘示图1的针状晶体122的立体示意图。补强预浸材料100用于一刹车边耐磨层结构且包含一纤维织物110以及一混合物120，混合物120与纤维织物110混合且包含一树脂121及多个针状晶体122，针状晶体122与树脂121混合，且各针状晶体122为微米尺寸。

借此，针状晶体122可改善树脂121本身耐磨性不佳的问题，更可以增加树脂121与纤维织物110的结合效果，而能避免纤维织物110外露损伤，并提升耐磨性能。后面将详述补强预浸材料100的细节。

纤维织物110的材料可为液晶高分子纤维(Liquid crystal polymer fiber； LCPfiber)，也就是说，纤维织物110是由液晶高分子纤维编织而成，而具有高耐磨、耐刮的特性。在其他实施例中，纤维织物110亦可为碳纤维、玻璃纤维及玄武岩纤维等材料制成。

混合物120中的树脂121较佳地是使用与欲结合的复合轮圈相同的树脂材料，例如，当欲结合的复合轮圈为一碳纤维及环氧树脂轮圈时，树脂121即为环氧树脂。各针状晶体122的材料可为无机非金属材料(inorganic nonmetal crystal)，例如氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)或硫化锌(ZnS)，或各针状晶体122 的材料可为有机材料(organic)、金属材料或陶磁材料，例如氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)或氮化硅(SiN)。在本实施例中，针状晶体122为氧化锌，且其具有四针锥形(tetrapod-shaped)结构，各针状晶体122可具有一针径D1及一针长 L1，针径D1介于0.5微米至10微米之间，针长L1介于10微米至100微米之间。在其他实施例中，针状晶体122可具有单针、双针、三针或多针结构，不以上述揭露为限。

针状晶体122除了强化树脂121本身耐磨性不佳的问题之外，其针状结构所产生的互铆效果(意指针状结构可强化树脂121与纤维织物110两者的结合) 更可被用以改善树脂121与纤维织物110间结合不良的问题，进而可显著提升耐磨度。

另外，混合物120在补强预浸材料100中的重量百分比可为30％至60％；较佳地，混合物120在补强预浸材料100中的重量百分比可为35％至45％。而针状晶体122于混合物120的比例可为5-50phr，其中phr表示每一百份量树脂121中，所需添加的针状晶体122的份量。较佳地，针状晶体122于混合物120的比例可为10-25phr。

换言之，在一实施例中，可先于树脂121中添加多个针状晶体122，并进行均匀混合以形成混合物120，且让针状晶体122于混合物120的比例为15 phr；接着，再使混合物120与纤维织物110含浸成补强预浸材料100，且让混合物120在补强预浸材料100中的重量百分比为45％，纤维织物110在补强预浸材料100中的重量百分比为55％，包含上述但不以此为限。

请参阅图3，其中绘示依照本发明另一实施例的一种刹车边耐磨层结构 200应用于一复合轮圈400的部分剖视示意图。复合轮圈400包含一主体300，主体300可为碳纤维与环氧树脂制成，刹车边耐磨层结构200设置于主体300 上且包含一纤维织物210以及一混合物220，混合物220与纤维织物210混合且包含一树脂221及多个针状晶体222，针状晶体222与树脂221混合，且各针状晶体222为微米尺寸。

在制程上，可使用补强预浸材料100制成刹车边耐磨层结构200。更仔细地说，补强预浸材料100可贴于欲制成主体300的碳纤维预浸布上，两者经热压固化后成型为复合轮圈400的主体300。因此，成型后的刹车边耐磨层结构200位于主体300的表面上，且刹车边耐磨层结构200的厚度可介于0.1毫米至0.5毫米之间。经此制程所产生的刹车边耐磨层结构200毋须额外的镀层或雷射等刹车边后加工处理程序，故具有制程简单的优点。更佳地，刹车边耐磨层结构200的厚度可介于0.1毫米至0.2毫米之间，而于厚度及重量上均具有优势。

此外，请参阅图4A、图4B及图4C，其中图4A绘示依照本发明又一实施方式的刹车边耐磨层结构200a应用于复合轮圈400a的部分剖视示意图，图 4B绘示依照本发明又一实施例的一种刹车边耐磨层结构200b应用于一复合轮圈400b的部分剖视示意图，图4C绘示依照本发明再一实施例的一种刹车边耐磨层结构200c应用于一复合轮圈400c的部分剖视示意图。

如图4A所示，复合轮圈400a的径向外部可具第一径向宽度W1，刹车边耐磨层结构200a于复合轮圈400a的表面具第二径向宽度W2，第二径向宽度 W2小于等于第一径向宽度W1。详细而言，刹车边耐磨层结构200a位于主体 300a的表面，复合轮圈400a具有相对一虚拟中心线R1左右对称的结构，左右两侧轮圈外部表面皆位于一径向方向，刹车边耐磨层结构200a沿径向方向的第二径向宽度W2小于等于复合轮圈400a沿径向方向的第一径向宽度W1。换句话说，刹车边耐磨层结构200a覆盖于部分主体300左右侧的表面且邻近轮圈凸缘310a，且当复合轮圈400a组装于一自行车(未绘示)且配合二刹车块 B1时，二侧刹车边耐磨层结构200a会分别与二个刹车块B1对应，而能供刹车块B1磨擦，以达刹车目的。更佳地，刹车边耐磨层结构200a的中线至轮圈凸缘310a的高度Y1等于刹车块B1的中线至轮圈凸缘310a的高度。

如图4B所示，刹车边耐磨层结构200b位于主体300b的表面且覆盖轮圈凸缘310b。较佳地，刹车边耐磨层结构200b沿径向方向的第二径向宽度W2 小于等于复合轮圈400b沿径向方向的第一径向宽度W1。而如图4C所示，刹车边耐磨层结构200c位于复合轮圈400c的主体300c上且覆盖轮圈凸缘310c 以外的所有表面。由此可知，本发明的刹车边耐磨层结构可依据不同的需求配置于复合轮圈上的不同位置，具有配置灵活的优点。

请参阅图5A、图5B及图5C，其中图5A绘示刹车边耐磨层结构的第1 比较例的一般耐磨测试结果图，图5B绘示本发明的刹车边耐磨层结构的第1 实验例的一般耐磨测试结果图，图5C绘示本发明的刹车边耐磨层结构的第2 实验例的一般耐磨测试结果图。

第1比较例的刹车边耐磨层结构由纤维织物及树脂组成，其中纤维织物的材料为玻璃纤维，树脂的材料为环氧树脂。本发明第1实验例的刹车边耐磨层结构由纤维织物及混合物组成，纤维织物的材料为玻璃纤维，树脂的材料为环氧树脂，还包含针状晶体为氧化锌且其于混合物中的比例为20phr。本发明第 2实验例的刹车边耐磨层结构由纤维织物及混合物组成，纤维织物的材料为液晶高分子纤维，树脂的材料为环氧树脂，还包含针状晶体为氧化锌且其于混合物中的比例为20phr。一般耐磨测试的测试参数为：以一般刹车皮为摩擦物，荷重10公斤，磨擦频率6赫兹，及磨擦行程(stroke)85毫米。在经过2,900次的磨擦周期后，第1比较例的刹车边耐磨层结构已出现如图5A所示的明显纤维损坏，另外，在经过大于25,000的磨擦周期后，第1实验例及第2实验例的刹车边耐磨层结构才出现如图5B及图5C所示的较为明显的纤维磨耗。由此可知，由于本发明的刹车边耐磨层结构是混合针状晶体与树脂，故在磨耗测试上相对无添加任何针状晶体的第1比较例，整体提升约8倍以上的耐磨耗程度。

请参阅图6、图7A、图7B、图7C、图7D、图8A、图8B、图8C及图8D，其中图6绘示刹车边耐磨层结构的(A)第2比较例、(B)第1比较例、(C) 本发明的刹车边耐磨层结构的第2实验例与(D)第3比较例的湿地泥沙(如雨天路况)耐磨测试结果图，图7A绘示刹车边耐磨层结构的第2比较例的湿地泥沙耐磨测试结果图，图7B绘示刹车边耐磨层结构的第1比较例的湿地泥沙耐磨测试结果图，图7C绘示刹车边耐磨层结构的第2实验例的湿地泥沙耐磨测试结果，图7D绘示刹车边耐磨层结构的第3比较例的湿地泥沙耐磨测试结果图，图8A绘示刹车边耐磨层结构的第2比较例的湿地泥沙耐磨测试结果的放大图，图8B绘示刹车边耐磨层结构的第1比较例的湿地泥沙耐磨测试结果的放大图，图8C绘示本发明的刹车边耐磨层结构的第2实验例的湿地泥沙耐磨测试结果的放大图，图8D绘示刹车边耐磨层结构的第3比较例的湿地泥沙耐磨测试结果的放大图。

第2比较例的刹车边耐磨层结构由单向纤维及树脂组成，其中单向纤维的材料为碳纤维，树脂的材料为环氧树脂。第3比较例的刹车边耐磨层结构由纤维织物及树脂组成，其中纤维织物的材料为碳纤维，树脂的材料为环氧树脂。在图6中，(A)为第2比较例的湿地泥沙耐磨测试结果图，(B)为第1比较例的湿地泥沙耐磨测试结果图，(C)为第2实验例的湿地泥沙耐磨测试结果图，(D) 为第3比较例的湿地泥沙耐磨测试结果图。湿地泥沙耐磨测试的测试参数为：以一般刹车皮为摩擦物，荷重10公斤，磨擦频率3赫兹，且混合沙粒与水进行测试，其中沙粒的尺寸为120微米，测试10,000周期。

由图6、图7A、图7B、图7C、图7D、图8A、图8B、图8C及图8D测试结果可知，第1比较例、第2比较例及第3比较例的刹车边耐磨层结构都出现严重刮痕，仅本发明的第2实施例的刹车边耐磨层结构未出现明显刮痕，故可证明本发明的刹车边耐磨层结构具有良好的耐刮性能。

请参阅图9A及图9B，其中图9A绘示的第4比较例为复合轮圈的一般耐磨测试结果图，图9B绘示应用本发明刹车边耐磨层结构的第3实验例复合轮圈的一般耐磨测试结果图。第4比较例的复合轮圈为一般的碳纤维复合轮圈而未包含任一刹车边耐磨层结构，而应用本发明刹车边耐磨层结构的第3实验例复合轮圈表面具有本发明的刹车边耐磨层结构，其中刹车边耐磨层结构由纤维织物及混合物组成，纤维织物的材料为液晶高分子纤维，树脂的材料为环氧树脂，针状晶体为氧化锌且其于混合物中的比例为20phr。测试条件为：在25公里每小时的时速下，以180牛顿的夹持力(gripping force)刹车7.5秒，每一刹车周期间隔60秒。

在经过1周期的测试后，第4比较例的复合轮圈已有小区域损伤，而在2 周期的测试后，如图9A所示，第4比较例的复合轮圈已有大区域的损伤。反观如图9B所示应用本发明刹车边耐磨层结构的第3实验例的复合轮圈，在经过多达10周期的测试后，仍无损伤，借此证明本发明的刹车边耐磨层结构具有良好的耐刮性能。

由上述的实施例及诸多实验例可知，本发明的刹车边耐磨层结构及其补强预浸材料确实具有较佳的耐磨性。相较于习知的纤维织物与树脂之间的结合介面强度不佳，当复合轮圈的刹车边受到刹车块的磨擦时，即使纤维织物本身不易损坏，但却也可能造成纤维织物与树脂两者从介面上发生剥离、崩解的状况，最终导致纤维外露或结构受损；本发明透过加入针状晶体与树脂形成混合物后，通过针状晶体的针状结构使两者产生互铆效果，可大幅改善树脂与纤维织物介面结合不良的问题。

虽然本发明已以实施例揭露如上，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应以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种补强预浸材料，其用于与用以制成一复合轮圈的一主体的预浸布贴合并固化而形成该复合轮圈的一刹车边耐磨层结构，其特征在于，该补强预浸材料包含：

一纤维织物，该纤维织物的材料为液晶高分子纤维；以及

一混合物，与该纤维织物混合且包含：

一树脂；及

多个多针状晶体，与该树脂混合，且各该多针状晶体为微米尺寸，所述多个多针状晶体于该混合物的比例为10-25phr。

2.根据权利要求1所述的补强预浸材料，其特征在于，各该多针状晶体的材料为无机非金属材料。

3.根据权利要求2所述的补强预浸材料，其特征在于，各该多针状晶体的材料为氧化锌、氧化镁或硫化锌。

4.根据权利要求1所述的补强预浸材料，其特征在于，各该多针状晶体具有一针径及一针长，该针径介于0.5微米至10微米之间，该针长介于10微米至100微米之间。

5.根据权利要求1所述的补强预浸材料，其特征在于，各该多针状晶体具有三针或四针锥形结构。

6.根据权利要求1所述的补强预浸材料，其特征在于，该混合物在该补强预浸材料中的重量百分比为30％至60％。

7.根据权利要求6所述的补强预浸材料，其特征在于，该混合物在该补强预浸材料中的重量百分比为35％至45％。

8.一种复合轮圈，其特征在于，该复合轮圈由制成该复合轮圈的一主体的预浸布与一补强预浸材料贴合固化而成，该补强预浸材料包含：

一纤维织物，该纤维织物的材料为液晶高分子纤维；以及

一混合物，与该纤维织物混合且包含：

一树脂；及

多个多针状晶体，与该树脂混合，且各该多针状晶体为微米尺寸，所述多个多针状晶体于该混合物的比例为10-25phr。

9.根据权利要求8所述的复合轮圈，其特征在于，各该多针状晶体的材料为氧化锌、氧化镁或硫化锌。

10.根据权利要求8所述的复合轮圈，其特征在于，各该多针状晶体具有一针径及一针长，该针径介于0.5微米至10微米之间，该针长介于10微米至100微米之间。

11.根据权利要求8所述的复合轮圈，其特征在于，各该多针状晶体具有三针或四针锥形结构。

12.根据权利要求8所述的复合轮圈，其特征在于，该补强预浸材料贴 合固化形成的一刹车边耐磨层结构的厚度介于0.1毫米至0.5毫米之间。

13.根据权利要求8所述的复合轮圈，其特征在于，该复合轮圈的径向外部具第一径向宽度，该补强预浸材料贴合固化形成的一刹车边耐磨层结构于该复合轮圈的表面具第二径向宽度，该第二径向宽度小于等于该第一径向宽度。

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