TWI633020B - 碳纖維輪圈及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種碳纖維輪圈，所述碳纖維輪圈包含輪圈本體和補強層。補強層設置於輪圈本體之表面，所述補強層係由具有等向性之纖維紙製成。利用補強層可增加碳纖維輪圈之耐磨耗性能且能達成輕量化。
Description
本發明是有關於一種輪圈及其製造的方法，特別是指一種碳纖維輪圈及其製造方法。
由於碳纖維複合材料具有高強度低比重之材料特性，為了追求輕量化，近年碳纖維複合材料已逐漸成為多種結構件所採用之材料，其中也包含應用於相關車輛的傳動元件，例如自行車的輪圈結構正適合使用碳纖維複合材料，也逐漸成為高性能自行車市場上的主流。
但由於碳纖維複合材料主要是以纖維材料與高分子材料組合而成，當碳纖維複合材料受外力摩擦而產生持續高溫的狀態時，高溫就會破壞其高分子材料結構而造成整體結構強度下降，如此將導致使用高分子材料的元件結構無法承受其荷重及衝擊，而產生意外破壞之情況。
此外，高溫狀態下的碳纖維複合材料也較不耐磨耗，當輪圈結構使用碳纖維複合材料受到煞車元件長時間摩擦時，兩者之間產生高溫會讓輪圈結構較不耐磨耗，進而降低輪圈結構的使用壽命。
現今市面上出現一種自行車碳纖維輪圈結構，在輪圈剎車面上披覆或鑲埋金屬或陶瓷等耐溫耐磨粒子，以提升碳纖維輪圈的耐磨性，但耐溫耐磨粒子常易發生剝離失效，且披覆或鑲埋耐溫耐磨粒子會增加碳纖維輪圈的整體重量，以及成形工序複雜，顯著提高此種碳纖維輪圈的製造成本。另外，市面上又出現另一種散熱性能好的碳纖維自行車輪圈，其在輪圈煞車邊上覆蓋一層金屬鍍層的編織布，以提升導熱性，主要藉由金屬鍍層編織布提升碳纖維輪圈的散熱效果，但編織布會明顯使碳纖維輪圈的重量增加，且編織布具因有方向性，會造成不均向導熱特性，並且在製造碳纖維輪圈時需顧及紋路方向，因而造成作業成本提高過多。
所以本發明是為解決碳纖維複合材料元件之結構強度無法承受高溫的問題，並提升碳纖維複合材料元件之耐磨耗性能與導熱性，確實能突破碳纖維複合材料長久以來存在的問題。
因此，本發明提供一種可以增加於高溫耐磨耗性能、導熱性及增加良品率的碳纖維輪圈及其製造方法，利用補強層設置於碳纖維輪圈最外層，以提升碳纖維輪圈之耐磨耗性能和導熱性。
本發明結構態樣提供一種碳纖維輪圈，其相對應設置在二煞車元件之間。碳纖維輪圈包含有一輪圈本體和一補強層。輪圈本體係由碳纖維複合材料製成。補強層設置
於輪圈本體的表面上，前述補強層係由具有等向性之纖維紙製成，前述等向性係指由纖維紙中方向隨機散佈的纖維所造成材料的性質或強度在各方向均為一致，且纖維紙之厚度為0.05mm至2mm。
依據前述之碳纖維輪圈，輪圈本體具有間隔設置之二煞車部，且所述補強層設置於二煞車部相對應二煞車元件的表面上。
依據前述之碳纖維輪圈，所述纖維紙由複數不同方向纖維所構成，纖維紙之纖維長度可為1mm至25mm，而纖維紙可由多數純碳纖維所組成、多數鍍金屬碳纖維所組成、多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，或多數純碳纖維混合金屬纖維、陶瓷纖維(例如碳化矽SiC纖維)、無機纖維(例如玻璃纖維)和礦物纖維(例如玄武岩纖維)或熱塑性纖維(例如尼龍纖維)所組成，並可進一步含有耐磨耗顆粒如金屬、陶瓷或礦物類顆粒(例如碳化矽SiC、氧化鋁Al2O3或二氧化矽SiO2)，當所述纖維紙由多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成時，其中純碳纖維之含量大於0%且小於100%，鍍金屬碳纖維之含量大於0%且小於100%。值得一提的是，鍍金屬碳纖維可為鍍鎳碳纖維，而鍍鎳碳纖維表面鍍鎳含量可為10重量百分比至65重量百分比。
藉此，利用補強層設置於煞車部相對應煞車元件的表面上，可以提升碳纖維輪圈的耐磨耗性能和導熱性，且補強層因本身輕薄，且因表面導流效果增加樹脂流出率，
使輪圈重量甚至比一般更為減輕，因而碳纖維輪圈之整體重量幾乎不會增加。此外，補強層所使用之纖維紙能阻隔具黏性碳纖維複合材料與熱模具的直接接觸，進而促進空氣排出而有助於所製成的碳纖維輪圈的外觀表面品質，且纖維紙之紋路色澤均一而有一致性外觀，可遮蓋下層碳纖維複合材料的表面缺陷，進而大幅提高碳纖維輪圈之良品率。
本發明方法態樣提供一種碳纖維輪圈之製造方法，其應用於製造前述碳纖維輪圈。碳纖維輪圈之製造方法包含下步驟：提供具有等向性之纖維紙，其厚度為0.05mm至2mm；將纖維紙與製造輪圈本體之碳纖維複合材料一同鋪設於輪圈模具中；以及加熱固化纖維紙和碳纖維複合材料，以形成碳纖維輪圈。
依據前述之碳纖維輪圈之製造方法，所述纖維紙由複數不同方向纖維所構成，纖維紙可由多數純碳纖維所組成、多數鍍金屬碳纖維所組成，或多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，當所述纖維紙由多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成時，其中純碳纖維之含量大於0%且小於100%，鍍金屬碳纖維之含量大於0%且小於100%。
藉此方法，因所使用之纖維紙為等向性，無特定方向性，在製造碳纖維輪圈時無需顧及紋路方向，僅需簡易貼附工序，不會增加太多作業成本。
100‧‧‧碳纖維輪圈
110‧‧‧輪圈本體
111‧‧‧煞車部
112‧‧‧表面
120‧‧‧補強層
200‧‧‧碳纖維輪圈之製造方法
210‧‧‧步驟
220‧‧‧步驟
230‧‧‧步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與
實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖繪示本發明之碳纖維輪圈的一實施方式的立體剖視圖；第2圖繪示第1圖中碳纖維輪圈的平面剖視圖；第3圖繪示本發明之碳纖維輪圈的另一實施方式的立體剖視圖；第4圖繪示第3圖中碳纖維輪圈的平面剖視圖；以及第5圖繪示本發明碳纖維輪圈之製造方法之步驟流程圖。
以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，這些實務上的細節不應該用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。
請一併參閱第1圖至第2圖，第1圖繪示碳纖維輪圈100的一實施方式的立體剖視圖，第2圖則繪示第1圖中碳纖維輪圈100的平面剖視圖。依據本發明結構態樣提供一種使用在自行車上的碳纖維輪圈100，其與一煞車元件(未繪製)相對應設置。碳纖維輪圈100包含一輪圈本體110及一補強層120。
輪圈本體110係由碳纖維複合材料製成，且輪圈本體110主要包含有高強度的纖維材料及提供纖維間結合力的高分子材料。
補強層120設置於輪圈本體110的表面上。補強層120係由具有等向性之纖維紙製成，所述之「等向性」係指由纖維紙中方向隨機散佈的纖維所造成的材料的性質或強度在各方向均為一致，補強層120所使用之纖維紙每單位面積重量及厚度具均勻性，纖維方向為不具有特定方向性之隨機分佈。進一步地說，補強層120所使用之纖維紙內之纖維長度可為1mm至25mm，優選為3mm至6mm。重量可為3g/m2至40g/m2。而纖維紙可由多數純碳纖維所組成、多數鍍金屬碳纖維所組成，多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，或多數純碳纖維混合金屬纖維、陶瓷纖維(例如碳化矽SiC纖維)、無機纖維(例如玻璃纖維)和礦物纖維(例如玄武岩纖維)或熱塑性纖維(例如尼龍纖維)所組成，並可進一步含有耐磨耗顆粒如金屬、陶瓷或礦物類顆粒(例如碳化矽SiC、氧化鋁Al2O3、二氧化矽SiO2)。當所述纖維紙由多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成時，其中純碳纖維之含量大於0%且小於100%，鍍金屬碳纖維之含量大於0%且小於100%。所述鍍金屬碳纖維可為鍍鎳碳纖維，而鍍鎳碳纖維表面鍍鎳含量可為10重量百分比至65重量百分比。
藉由此一實施方式，利用補強層120設置輪圈本體110的表面上，不但具有增加碳纖維輪圈100的耐磨耗
性能和導熱性。此外，補強層120所使用之纖維紙能阻隔具黏性碳纖維複合材料與熱模具的直接接觸，進而促進空氣排出而有助於所製成的碳纖維輪圈100的外觀表面品質，且纖維紙之紋路色澤均一而有一致性外觀，可遮蓋下層碳纖維複合材料的表面缺陷，進而大幅提高碳纖維輪圈100之良品率，因此藉由此一實施方式，可以進一步解決傳統碳纖維輪圈成形時，常因表面局部缺陷或碳纖維複合材料包夾空氣，導致需後續修補增加成本或嚴重時報廢的問題。
請再參閱第3圖至第4圖，第3圖繪示本發明之碳纖維輪圈100的另一實施方式的立體剖視圖，第4圖則繪示第3圖中碳纖維輪圈100的平面剖視圖。依據本發明結構態樣提供另一種使用在自行車上的碳纖維輪圈100，其相對應設置在二煞車元件(未繪製)之間。碳纖維輪圈100包含有一輪圈本體110以及二補強層120。
輪圈本體110採用碳纖維複合材料，主要包含有高強度的纖維材料及提供纖維間結合力的高分子材料。自行車的輪圈本體110進一步包含有間隔設置之二煞車部111。
二補強層120分別設置於二煞車部111相對應二煞車元件的表面112上。補強層120係由具有等向性之纖維紙製成，且纖維紙之厚度為0.05mm至2mm。所述之「等向性」係指由纖維紙中方向隨機散佈的纖維所造成的材料的性質或強度在各方向均為一致，補強層120所使用之纖維紙每單位面積重量及厚度具均勻性，纖維方向為不具有特定方
向性之隨機分佈。進一步地說，補強層120所使用之纖維紙內之纖維長度可為1mm至25mm，優選為3mm至6mm。重量可為3g/m2至40g/m2。而纖維紙可由多數純碳纖維所組成、多數鍍金屬碳纖維所組成、多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，或多數純碳纖維混合金屬纖維、陶瓷纖維(例如碳化矽SiC纖維)、無機纖維(例如玻璃纖維)和礦物纖維(例如玄武岩纖維)或熱塑性纖維(例如尼龍纖維)所組成，並可進一步含有耐磨耗顆粒如金屬、陶瓷或礦物類顆粒(例如碳化矽SiC、氧化鋁Al2O3、二氧化矽SiO2)。當所述纖維紙由多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成時，其中純碳纖維之含量大於0%且小於100%，鍍金屬碳纖維之含量大於0%且小於100%。所述鍍金屬碳纖維可為鍍鎳碳纖維，而鍍鎳碳纖維表面鍍鎳含量可為10重量百分比至65重量百分比。
藉由前述實施態樣，利用補強層120設置在煞車部111相對應煞車元件的表面112上，可增加碳纖維輪圈100的耐磨耗，若補強層120所使用之纖維紙中含有鍍金屬碳纖維，則可進一步提升碳纖維輪圈100的導熱性，達到避免輪圈本體110材料因持續高溫產生破壞之目的。且因補強層120所使用之纖維紙重量輕厚度薄，對於碳纖維輪圈100整體之重量不會有影響。
請參閱第5圖，第5圖繪示本發明碳纖維輪圈之製造方法200之步驟流程圖，應用於製造前述第1圖中碳纖維輪圈100或第3圖中碳纖維輪圈100。碳纖維輪圈之製造方
法200包括步驟210、步驟220和步驟230。
步驟210為提供具有等向性之一纖維紙，其厚度為0.05mm至2mm，且纖維紙每單位面積重量及厚度具均勻性，纖維方向為不具有特定方向性之隨機分佈。補強層120所使用之纖維紙內之纖維長度可為1mm至25mm，優選為3mm至6mm。重量可為3g/m2至10g/m2。而纖維紙可由多數純碳纖維所組成、多數鍍金屬碳纖維所組成、多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，或多數純碳纖維混合金屬纖維、陶瓷纖維(如碳化矽SiC纖維)、無機纖維(如玻璃纖維)和礦物纖維(如玄武岩纖維)或熱塑性纖維(如尼龍纖維)所組成，並可進一步含有耐磨耗顆粒如金屬、陶瓷或礦物類顆粒(如碳化矽SiC、氧化鋁Al2O3或二氧化矽SiO2)。當所述纖維紙可由多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成時，其中純碳纖維之含量大於0%且小於100%，鍍金屬碳纖維之含量大於0%且小於100%。所述鍍金屬碳纖維可為鍍鎳碳纖維，而鍍鎳碳纖維表面鍍鎳含量可為10重量百分比至65重量百分比。
步驟220，將前述之纖維紙覆蓋輪圈本體110之煞車部111或與製造輪圈本體110之碳纖維複合材料一同鋪設於輪圈模具中，所述碳纖維複合材料，主要包含有高強度的纖維材料及提供纖維間結合力的高分子材料。
步驟230，加熱固化前述纖維紙和前述碳纖維複合材料，以形成碳纖維輪圈100。其中纖維紙緊密地披覆於碳纖維複合材料表面成一體成形的碳纖維輪圈100。
本發明所提出之碳纖維輪圈之製造方法200，因所使用之纖維紙為等向性，無特定方向性，在製造碳纖維輪圈100時無需顧及紋路方向，僅需簡易貼附工序，不會增加太多作業成本。
為測試本發明之補強層120可增加的耐磨耗性能，本試驗例係以自行車之煞車皮為研磨物，而批覆本發明之補強層120碳纖維複合材料試片為被磨物，於負載10公斤、速度180次/分鐘和高溫120℃的測試條件，以磨耗試驗機進行高溫磨耗試驗，其中對照組為不具有補強層的煞車皮基底試片，實施例1-4為外加本發明之補強層120的碳纖維複合材料試片。實施例1之補強層120為以1層纖維紙所製成，其中纖維紙為以25%鍍鎳碳纖維混合75%純碳纖維所組成，每層纖維紙之重量為5g/m2。實施例2之補強層120為以2層纖維紙所製成，其中纖維紙為以25%鍍鎳碳纖維混合75%純碳纖維所組成，每層纖維紙之重量為5g/m2。實施例3之補強層120為以1層纖維紙所製成，其中纖維紙為以100%鍍鎳碳纖維所組成，每層纖維紙之重量為10g/m2。實施例4之補強層120為以1層纖維紙所製成，其中纖維紙為以100%純碳纖維所組成，每層纖維紙之重量為10g/m2。高溫磨耗試驗結果如下表一所示。
高溫磨耗試驗結果顯示，實施例1可使碳纖維複合材料試片表層的磨穿次數由1200-1350次提升至2500-2800次，而實施例2、實施例3和實施例4則可使煞車皮的磨穿次數由1200-1350次提升至4000-4200次，顯示外加本發明之補強層120可以顯著提升煞車皮的耐磨耗能力，且由表一的結果顯示，當增加所使用之纖維紙層數或增加纖維紙中鍍鎳碳纖維含量時，煞車皮的耐磨耗效果越好，但卻可能會使碳纖維輪圈100的整體重量增加，因此實施本發明時，可以不同比例混和純碳纖維和鍍鎳碳纖維達到最佳化之效果。
此外，本試驗另比對測試本發明之碳纖維輪圈100與未披覆補強層之碳纖維輪圈於150℃至300℃高溫下的煞車能力，其中於本試驗所使用之補強層120係由以重量為10g/m2的100%鍍鎳碳纖維之纖維紙所製成。試驗結果顯示，本發明之碳纖維輪圈100與未披覆補強層之碳纖維輪圈相較，以同樣熱變形量及表面磨損程度比較，可提升碳纖維輪圈100六倍以上的耐高溫煞車能力。
藉由前述實施方式及實施例可得知，本發明之碳纖維輪圈及其製造方法有下述優點：
一、利用補強層設置在煞車部相對應煞車元件的表面上，可增加碳纖維輪圈於120℃以上的高溫煞車時的耐磨耗性能，維持良好的煞車力，且若補強層所使用之纖維紙中含有鍍金屬碳纖維，則可進一步提升碳纖維輪圈的導熱性，達到避免輪圈本體材料因持續高溫產生破壞之目的。
二、因補強層所使用之纖維紙重量輕厚度薄，且因表面導流效果增加樹脂流出率使輪圈重量甚至比一般更為減輕，對於碳纖維輪圈整體之重量幾乎不會有影響，且纖維紙為乾布，能阻隔具黏性碳纖維複合材料與熱模具的直接接觸而導致略增加的樹脂流出量，因此反而可減輕碳纖維輪圈的整體重量。
三、操作過程簡便，因補強層所使用之纖維紙為等向性，在製造碳纖維輪圈時無需顧及紋路方向，僅需於入模成形時貼附於輪圈本體之碳纖維複合材料表面，而不需後續工序。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (11)
- 一種碳纖維輪圈，其相對應設置在二煞車元件之間，該碳纖維輪圈包含：一輪圈本體，係由碳纖維複合材料製成；以及一補強層，設置於該輪圈本體的表面上，該補強層係由具有等向性之一纖維紙製成，其中該纖維紙由多數純碳纖維所組成、多數鍍金屬碳纖維所組成或多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，且該纖維紙之厚度為0.05mm至2mm。
- 如申請專利範圍第1項所述的碳纖維輪圈，其中該輪圈本體具有間隔設置之二煞車部，且該補強層設置於該二煞車部相對應該二煞車元件的表面上。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的碳纖維輪圈，其中該纖維紙之纖維長度為1mm至25mm。
- 如申請專利範圍第1項所述的碳纖維輪圈，其中該鍍金屬碳纖維為鍍鎳碳纖維。
- 如申請專利範圍第4項所述的碳纖維輪圈，其中該鍍鎳碳纖維表面鍍鎳含量為10重量百分比至65重量百分比。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的碳 纖維輪圈，其中該纖維紙係由多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，該純碳纖維之含量大於0%且小於100%，該鍍金屬碳纖維之含量大於0%且小於100%。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的碳纖維輪圈，其中該纖維紙由複數不同方向纖維所構成。
- 一種碳纖維輪圈之製造方法，包含：提供具有等向性之一纖維紙，該纖維紙由多數純碳纖維所組成、多數鍍金屬碳纖維所組成或多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，且其厚度為0.05mm至2mm；將該纖維紙與製造一輪圈本體之一碳纖維複合材料一同鋪設於一輪圈模具中；以及加熱固化該纖維紙和該碳纖維複合材料，以形成該碳纖維輪圈。
- 如申請專利範圍第8項所述的碳纖維輪圈之製造方法，其中該纖維紙由複數不同方向纖維所構成。
- 如申請專利範圍第8項所述的碳纖維輪圈之製造方法，其中該纖維紙係由多數純碳纖維混合多數鍍金屬碳纖維所組成，該純碳纖維之含量大於0%且小於100%，該鍍金屬碳纖維之含量大於0%且小於100%。
- 如申請專利範圍第8項所述的碳纖維輪圈之製造方法，其中該鍍金屬碳纖維為鍍鎳碳纖維。
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