一种复合材料的电绝缘自行车车架及制备的复合材料

技术领域

本申请涉及带电助力自行车技术领域，尤其是涉及一种复合材料的电绝缘自行车车架及制备的复合材料。

背景技术

带电助力自行车是一种新型二轮车辆，属于自行车的一种，以电池作为辅助动力来源，安有电机，并具备动力电子系统，能实现人力骑行和电机助动一体化的新型交通工具。在助力自行车领域，电机安装位置主要是轮毂和中置。

电机与车架连接，并通过皮带或轴等传动装置与后轮进行连接而传递动力，同时电机的两侧安装有脚踏，在电机没有电源的情况下，骑行者可以通过脚踏实现人力骑行，阻力和正常的自行车没有差别。

常规的带电助力自行车车架材料为铝或碳纤维，均为导电材料，使得电助力自行车的电机，在工作中会传导出电磁辐射，干扰其它电子系统正常工作。

因此，一般会通过提高各电子系统的抗干扰能力，以规避电机传导出来的电磁干扰。但此方法使得电子系统拥有比所需高得多的抗电磁干扰余量，导致经济效益差。

发明内容

为解决带电助力自行车抗电磁过程中经济效益差的问题，本申请提供一种复合材料的电绝缘自行车车架及制备的复合材料，将制备的具有电绝缘性的复合材料应用至自行车车架的特定位置处，使其起到阻断、隔绝电磁的效果，且能避免产生抗电磁干扰余量，有效解决带电助力自行车抗电磁过程中经济效益差的问题。

第一方面，本申请提供一种复合材料的电绝缘自行车车架，车架包括车体，车体上设有电机，车体前端设置有智能仪表，电机和智能仪表之间的车体上设置有抗电磁区；

抗电磁区对应车体处的材料为复合材料；

复合材料由无机纤维织布和碳纤维组成。

进一步地，上述抗电磁区包括过渡区和绝缘区；

过渡区对应车体处的材料为复合材料；

绝缘区对应车体处的材料为无机纤维织布。

进一步地，上述过渡区包括过渡区一和过渡区二，过渡区一、绝缘区和过渡区二依次连接。

第二方面，本申请提供一种复合材料的制备方法，制备方法包括：

对碳纤维织布和无机纤维织布进行预处理；

将预处理后的碳纤维织布和无机纤维织布交替堆栈，再进行模压加热处理后，制得复合材料。

进一步地，上述无机纤维织布为玄武岩纤维织布或芳纶纤维织布。

进一步地，上述无机纤维织布为玄武岩纤维织布；

对碳纤维织布和玄武岩纤维织布进行预处理的步骤包括：

将碳纤维织布置于环氧树脂中浸渍，得到预制碳布；

将表面改性剂涂抹在玄武岩纤维织布上，得到预制玄武岩布。

进一步地，上述表面改性剂由偶联剂和环氧树脂混合组成，偶联剂和环氧树脂的质量比为(0.5-1)：100；

偶联剂为有机硅偶联剂。

进一步地，上述将预制碳布和预制玄武岩布交替堆栈时，预制碳布和预制玄武岩布的纤维走向交替呈80-90°。

进一步地，上述模压加热的步骤包括：

将堆栈后的预制碳布和预制玄武岩布置于50-70℃的模具中进行模压处理；

在模压处理过程中将模具加热至130-160℃，待环氧树脂硬化成型。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请通过制备复合材料，复合材料具备电绝缘性，在自行车车架的电磁传导路径上设置抗电磁区，将该复合材料应用至抗电磁区对应的车体上，车体其余部分仍为碳纤维，以阻断电磁传导路径，解决电机产生的电磁信号干扰智能仪表的问题，避免产生过多的抗电磁余量，提高经济效益。

附图说明

图1是本申请实施例中自行车车架的结构图；

图2是本申请实施例中制备复合材料的工艺流程图；

图3是本申请实施例中抗电磁区对应车体处的纤维分布示意图。

附图标记说明：1、车体；2、电机；3、抗电磁区；31、过渡区一；32、绝缘区；33、过渡区二。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请公开一种复合材料的电绝缘自行车车架及制备的复合材料，其自行车为带电的助力自行车，该车介于电动车和自行车之间，能实现人力骑行和电机助动一体化，是广受欢迎的新型交通工具。该自行车上安装有电机和辅助电子系统，电机用于提供辅助骑行者的额外驱动力，辅助电子系统可用于记录骑行公里、骑行速度等。但常规的自行车车架材料为铝或碳纤维，均为导电材料，使得电助力自行车的电机，在工作中会传导出电磁辐射，从而干扰其他电子系统的工作。

现有技术一般是通过提高各电子系统的抗干扰能力，以规避电机传导出来的电磁干扰。此做法使得电子系统拥有比所需高得多的抗电磁干扰余量，方案并不经济。除此之外，还有采用抗电磁复合材料制备整个车架，以实现抗电磁效果。

上述抗电磁复合材料是采用氧树脂、E树脂、玄武岩纤维、碳纤维、分散剂、抗氧化剂、增塑剂、偶联剂等与金属化合物共混制得。但上述材料在制备时破坏了碳纤及玄武岩纤维的纤维组织，导致其强度下降，需要消耗更多的增塑剂等来弥补缺陷，此方法不仅价格昂贵，车架重量也会加重，降低轻量化效果，经济效益也较差。

基于此，本申请实施例根据自行车车架的结构，合理设置抗电磁区域，有针对性的改变车架相应位置处的材料，利用材料阻断电磁传导的路径，实现抗电磁效果。且材料组成简单，尽量保留完整的纤维组织，保证自行车架的强度。另外，使车架除抗电磁区外，其余部分均使用碳纤维，仍能保证自行车架的轻量化。

本申请实施例提供一种复合材料的电绝缘自行车车架，参考图1，车架包括车体，车体上中间位置处固定安装有电机，车体右侧的前端处固定安装有智能仪表，电机和智能仪表之间的车体上设置有抗电磁区，抗电磁区对应车体处的材料为复合材料。复合材料由无机纤维织布和碳纤维织布组成，车体其余部分的材料均为碳纤维。本申请实施例采用的复合材料具有抗电磁性，能阻断电机产生的电磁传导路径，避免电磁传导至智能仪表处干扰其正常运行。

将抗电磁区设置于电机和智能仪表之间的，是因为在该路径上，电磁强度较强且传导较快；从车体结构来说，该位置处的结构简单且强度稳定，因此，更换这部分车体的材料既不会降低车架整体的强度，还能有效实现抗电磁的效果。

抗电磁区包括过渡区和绝缘区，过渡区包括第一过渡区和第二过渡区，第一过渡区、绝缘区和第二过渡区依次相连。参考图3，过渡区一和过渡区二对应车体处的材料为复合材料，绝缘区对应车体的材料为无机纤维织布。过渡区一和过渡区二与车体材料仅为碳纤维的部分相连，通过设置过渡区，使车体整体的材料更连贯，提高车体强度。

本申请实施例车架中应用的复合材料的制备方法，可参考图2和图3：

步骤S1：布料及浸料准备。按生产自行车车架的要求选取合适规格的碳纤维织布以及无机纤维织布，碳纤维的规格可选择标准模量(200-280GPa)、中级模量(280-350GPa)、高模量(350-600GPa)和超高模量(600+GPa)，基于经济性考量，碳纤维的规格优选为标准模量(200-280GPa)和中级模量(280-350GPa)。上述无机纤维织布为玄武岩纤维织布或芳纶纤维织布，优选的无机纤维织布为玄武岩纤维织布，玄武岩纤维织布除了具有较好的绝缘性外，其与碳纤维织布结合可以进一步提升复合材料的强度和刚度；玄武岩纤维织布与碳纤维织布结合可以降低复合材料的密度，实现轻质化的效果；玄武岩纤维织布和碳纤维织布均具有良好的耐高温性能，两者结合后在高温环境下能表现出更好的稳定性和耐热性；相比纯碳纤维织布，玄武岩纤维织布与碳纤维织布结合可以降低材料成本，实现成本效益。而芳纶纤维织布与碳纤维织布的热膨胀系数相差较大，在高温环境下结合，稳定性较差，容易开裂；芳纶纤维的价格较高，难以提高成本效益，因此，优选玄武岩纤维织布。

将碳纤维织布和玄武岩纤维织布按产品及模具需求预裁成指定形状，以便后续的堆栈和成型工艺。需要注意，裁切时要考虑堆栈时的交叉角度的要求，合理裁切，节省物料。

准备环氧树脂和表面改性剂，环氧树脂的用量以足够浸泡碳纤维织布为标准，即能将碳纤维织布完全浸没于环氧树脂中。表面改性剂的用量以能在玄武岩纤维织布上均匀涂抹一层厚度为1-3mm的硬化层为标准。

偶联剂为有机硅偶联剂，有机硅偶联剂选自甲基三氯硅烷(MTS)、氨基硅烷(AMO)、乙烯基硅烷(VTS)、环氧硅烷(EPS)、烯丙基三甲氧基硅烷(VTMS)中任一种，优选的有机硅偶联剂选自甲基三氯硅烷、乙烯基硅烷和烯丙基三甲氧基硅烷中任一种，进一步优选的，有机硅偶联剂为烯丙基三甲氧基硅烷。烯丙基三甲氧基硅烷是一种含有烯丙基基团的硅烷偶联剂，它可以与含有活性羟基的有机物发生交联反应，制备出具有较强的耐久性和化学稳定性的复合材料。

上述烯丙基三甲氧基硅烷和环氧树脂的质量比为(0.5-1)：100，优选的烯丙基三甲氧基硅烷和环氧树脂的质量比为0.7:100。用电动搅拌器搅拌环氧树脂和烯丙基三甲氧基硅烷，搅拌至均匀后制得表面改性剂。

步骤S2：预处理。将碳纤维织布置于环氧树脂中浸渍，使其充分且均匀地分布在碳纤维织布上，以提高碳纤维织布的柔韧性和耐用性。浸渍法有助于碳纤维织布与环氧树脂更好地结合，浸渍后，得到预制碳布。

将步骤S1制得的表面活性剂均匀涂抺到玄武岩纤维织布上，涂抹的厚度优选为2mm，对其进行表面改性，增强玄武岩纤维织布和碳纤维织布之间的粘结力，使玄武岩纤维织布更易与碳纤维织布复合。涂抹后，得到预制玄武岩布。

步骤S3：准备模具。使用洗模剂清洁模具，确保模具表面干净光洁，避免杂质对成品的影响。清洁后在模具表面涂脱模剂，防止粘连及方便取出成品。

步骤S4：布料堆栈。将预制碳布和预制玄武岩布交替堆栈在未涂脱模剂的模具中，堆栈时可根据产品设计要求调整纤维取向和层数。预制碳布和预制玄武岩布的纤维走向交替呈80-90°，优选的，预制碳布和预制玄武岩布的纤维走向交替呈90°，以增强成品的强度和稳定性。注意堆栈时按预裁的形状进行，有效利用物料，减少浪费。

步骤S5：排气抽浆。堆栈完成后使用微负压真空工具，把多余的环氧树脂、表面活性剂及气泡抽出，使预制碳布与预制玄武岩布更容易结合，减少成品中出现空隙的情况发生。上述微负压真空工具为中高粘度的抽液泵。

步骤S6：模压加热。将涂有脱模剂的模具加热至50-70℃，具体的可将模具加热至50℃、52℃、54℃、56℃、58℃、60℃、62℃、64℃、66℃、68℃、70℃，优选的，将模具加热至60℃。将排气抽浆且堆栈好的预制碳布和预制玄武岩布放入加热至60℃且涂有脱模剂的模具中，再合模加压，使两种材料紧密贴合，同时进一步去除气泡。在模压过程中继续加热模具，将模具加热到预定的硬化温度130-160℃，优选的，硬化温度为150℃，使环氧树脂和表面活性剂进行硬化反应，模压后的预制碳布和预制玄武岩布随着环氧树脂和表面改性剂的硬化而成型，成型后制得复合材料。

步骤S7：冷却开模。制得复合材料后，将模具置于冷却室中冷却，待温度低于开模温度后，打开模具取出复合材料。

步骤S8：检查及后处理。最后检查复合材料的质量并去除毛边，必要时可进行表面处理，如打磨，机加工，上漆等。处理完后，得到成品复合材料。

上述自行车架的制备工艺为：绝缘区以玄武岩纤维织布工艺编织浸泡整型入模，而过渡区一和过渡区二采用上述制备的复合材料。绝缘区、过渡区一、过渡区二及车体的其它区域均在入模过程中恰当排列后一体成型，制得自行车架。

上述复合材料以及车架的制备工艺具有成型时间短、工艺简单、强度高等有点。其制备得到的车架在传导路径上能够实现绝缘，防止电磁干扰系统的正常运作，大大提高经济效益。

实施例

实施例1

制备一种复合材料：

1、将1kg环氧树脂和70g有机硅偶联剂搅拌，混合均匀后制得表面改性剂；

2、将碳纤维织布置于环氧树脂中浸渍，得到预制碳布，将表面改性剂均匀涂抹在玄武岩纤维织布表面，制得预制玄武岩布；

3、用洗模剂清洁模具，清洁后在模具表面涂一层脱模剂，然后将预制碳布和预制玄武岩布堆栈于模具中，使预制碳布和预制玄武岩布的纤维走向交替呈90°；

4、将堆栈后的预制碳布和预制玄武岩布置于温度为60℃且涂有脱模剂的模具中，进行合模加压，并同时持续加热模具至硬化温度150℃，待环氧树脂和表面改性剂硬化后，得到成型复合材料；

5、将模压模具冷却至开模温度后，取出复合材料，检查、去毛边后得到成品复合材料。

采用碳纤维和上述复合材料制备一种电绝缘自行车架，其中自行车架的过渡区一和过渡区二采用复合材料、绝缘区采用玄武岩纤维织布，车架除过渡区一、绝缘区和过渡区二以外的部分均为碳纤维织布。

根据上述实施例1设置一组对比例1，对比例1与实施例1的区别在于未采用复合材料和玄武岩纤维织布，制备的自行车车架整体均由碳纤维织布制成。

再根据对比例1设置一组对比例2，对比例2与对比例1的区别在于，对比例2的自行车智能仪表上安装有抗干扰设备。

考察采用实施例1和对比例1-2制得的车架上的智能仪表处的抗电磁性能，检测方法为：电磁兼容性试验，利用电磁干扰检测设备和电磁干扰产生设备，对智能仪表的电磁兼容性进行考察，其中电磁干扰产生设备就是自行车车架上的电机，以EN15194:2017AnnexC,FCCPart15BClassB为检测标准，检测结果见下表1。

表1.电磁兼容等级评定结果

结论：对比例实施例1和对比例2，可以得到两者抗电磁效果均能通过检测标准，能够证明，采用实施例1制备的复合材料制备的车架，具有较好的抗电磁性能，使车架上的智能仪表能够在不受电磁干扰的情况下稳定运行。也可说明在车架上电机和智能仪表之间设置抗电磁区，能够阻断电磁传导路径，使智能仪表具备抗电磁的效果且不会产生抗电磁干扰余量，经济效益更佳。

而对比例1中的自行车整体均为碳纤维制成，其制成的自行车上的智能仪表抗磁性能较弱，并不能达到基础等级，因此进一步证明，采用实施例1的复合材料，再结合碳纤维织布制成的自行车具备较好的抗电磁性能。

根据实施例1设置两组对比例，分别是对比例3和对比例4。

对比例3

对比例3与实施例1的区别在于，对比例3制得的自行车车架上未设置过渡区，仅在电机和智能仪表之间的车体处设置了绝缘区。

对比例4

对比例4与实施例1的区别在于，对比例4的自行车车架上未设置绝缘区，仅在电机和智能仪表之间的车体处设置了过渡区。

考察实施例1以及对比例3-4制备得到的自行车架的疲劳强度及抗冲击强度，其中，疲劳强度的测试方法：周期1100N(112Kg)/100000，频率：3.0赫兹，符合标准EN147814.8.4；冲击强度测试方法从212mm高度落下22.5kg永久变形小于10mm，符合标准EN147814.8.2，检测结果见下表2。

表2.物理性能检测结果

结论：用实施例1的复合材料制备的车架，其疲劳强度以及冲击强度均符合标准，而对比例4的车架虽然也符合标准，但其没有绝缘区，抗电磁效果相对较差。而对比例3未设置过渡区，其物理性能不符合标准，证明通过设置过渡区，有助于改善车架的物理性能，在综合抗电磁的效果，设置过渡区和绝缘区更佳。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。