本发明涉及纤维复合材料构件以及用于制造所述构件的方法。本发明尤其涉及自行车构件，如轮叉、车架和车座支柱。
背景技术：
已知将纤维增强的复合材料构件用于自行车。在实践中，尤其已经实现将碳纤维用于制造自行车架以及其它自行车构件，如轮叉、车座支柱等。
所述材料的优点是在低重量同时的高强度。碳构件的缺点是其断裂风险。在构件过载的情况下所述构件突然断裂，这可能导致严重的事故。这种风险尤其存在于在受损状态下仍然继续使用的碳构件中。因此一般例如要求，在碰撞之后出于安全原因更换碳车架，即使它并不具有可见的断口。
发明目的
因此，本发明的目的在于，减少现有技术中的所述缺点。本发明的目的尤其在于，提供纤维复合材料的轻型构件，所述构件即使在严重损伤时仍然保持在一起，从而显著降低出现严重事故的风险。
技术实现要素：
本发明的目的已经通过根据独立权利要求之一所述的用于制造复合材料构件的方法、复合材料构件以及经预浸渍的纤维毡来实现。
本发明的优选的实施方式和改进方案可以由从属权利要求的主题得出。
本发明涉及用于制造复合材料构件的方法。本发明尤其涉及制造自行车构件，如尤其是车架、车座支柱和轮叉。
根据本发明，使用液晶聚合物(lcp)纤维。液晶聚合物纤维是已知的。在此，液晶聚合物为具有一定程度的有序性并且包括介晶的聚合物。
对于本发明，优选使用主链液晶聚合物。尤其可以使用芳族聚酯。此类纤维是可商购的。所述纤维例如用于高强度缆绳或防弹服装。
在本发明的一个实施方式中，使用具有500至2000dtex的线密度的液晶聚合物纤维。
将所述液晶聚合物纤维用被溶剂稀释的树脂润湿，尤其将其浸没在经稀释的树脂中。
为此尤其使用环氧树脂。尤其可以使用双酚系环氧树脂。
环氧树脂优选包含酸性树脂类，这使得在较高温度，尤其在高于100℃进行固化。
将所述树脂用溶剂，尤其用丁酮稀释。
优选将所述树脂调节至对应于在4mm标准福特杯中5至30、优选14至18秒的粘度。
从由此润湿的纤维制造纤维毡，其中加热所述纤维毡并且随后压制成构件。
所述纤维在此排列为连续的平面构造体，但是优选单向地彼此并排排列，并且不是如纺织、针织或编织的。
在本发明的一个优选的实施方式中，将至少一个具有液晶聚合物纤维的纤维毡与另外的纤维毡，优选其它纤维毡堆叠并且压制成所述构件。
已经证实，一层根据本发明的具有液晶聚合物纤维的纤维毡已经足以显著改进所制造的构件的机械性能。
尤其将介于5与30个之间的纤维毡堆叠，其中有至少一个根据本发明的具有液晶聚合物纤维的纤维毡。
包含液晶聚合物纤维的纤维毡尤其是以两侧布置在两个碳纤维的纤维毡之间。
也就是所述纤维毡是由嵌入树脂中的纤维毡形成的复合材料。
碳纤维毡可以为常规的碳纤维毡，所述碳纤维毡尤其还可成型为纺织物。但是优选还将所述纤维毡预浸渍，尤其同样用树脂、尤其用环氧树脂预浸渍。
本发明基于以下认识：通过使用含溶剂的树脂还能够从液晶聚合物纤维制造复合材料，在所述复合材料中纤维嵌入到基质中并且所述复合材料不倾向于脱层，尤其相对于邻接的碳纤维毡层。
在此对本发明重要的是，必须在压制所制造的纤维毡之前通过加热至少部分地去除溶剂。
预计使用溶剂导致单纤维的表面的活化，这能够实现所制造的、用树脂经预浸渍的纤维毡的可靠的复合。
为了避免所制造的构件的单个层的脱层，然后还需要通过加热去除溶剂。
尤其首先将经润湿的纤维在高于60℃，优选在高于70℃下存放至少一小时。
但是优选将纤维加热到不高于90℃，以避免环氧树脂的反应。
在本发明的优选实施方式中，然后将纤维在低温，尤其在低于50℃且尤其在室温存放至少12小时，优选至少30小时。
已经证实，然后通过这种方法过程以常规的方式通过在高温下压制能够制造复合材料的构件，所述构件具有相对于已知的纯碳材料显著改进的性能。
即使在构件开裂时，所述构件也不会断成两段，而是仍然具有高强度和高内聚力，使得无论如何都可以避免事故。例如在用作车座支柱时，开裂的车座支柱虽然不再稳定，但仍然允许骑车人能够暂时继续坐在车座上。
尤其将所述纤维复合材料用于自行车轮叉同样导致明显的安全性改进。
在本发明的一个优选的实施方式中，纤维毡的制造通过将纤维卷绕到卷筒上来进行。为了实现足够大的毡，所述卷筒应具有对应大小的直径，尤其至少50cm的直径。
优选在卷筒上仅卷绕上一个纤维层，使得单独的纤维直接彼此相邻地放置。
在加热时，纤维通过环氧化物连接成毡，其中纤维是单向排列的。
可以将如此产生的毡冲切或切割成所希望的形状。
然后将所述毡与多层纤维毡，尤其经预浸渍的碳纤维毡堆叠并且以常规方式在模具中压制成复合材料构件和进行烘烤。
优选在压制之前将所述纤维以多层堆叠，所述纤维相对于待制造的构件的主延伸方向最大以+/-30°取向。主取向方向沿构件的纵向延伸。尤其还可行的是，所有纤维层在一个方向上排布，也就是单独的纤维层相对于彼此以0°取向。与碳材料不同，纤维毡的单向排布令人惊讶地甚至有助于构件的提高的强度。
根据本发明制造的构件因此包括布置在环氧化物基质中的液晶聚合物纤维，所述纤维优选以相对彼此+/-30°、优选+/-15°的角度取向。
另外，本发明涉及用于制造相应构件的经预浸渍的纤维毡。所述纤维毡包含正好一层彼此并排排列的液晶聚合物纤维，所述纤维借助于树脂彼此相连。所述纤维优选为单向排列的。
所述纤维毡优选具有小于150，特别优选小于110并且非常特别优选小于80g/m2的单位面积重量。
本发明还涉及构件，尤其如上文描述所制造的构件。
所述构件包括至少一个具有液晶聚合物纤维的毡，所述毡嵌入在碳纤维的纤维毡之间。
所述构件优选至少局部成型为管，尤其是成型为圆柱形管。
所述构件尤其为自行车架的零件，自行车轮叉，车座支柱或车把。
已经证实，由碳纤维毡(其中在碳纤维毡之间嵌入液晶聚合物纤维毡)的复合材料形成的构件一方面具有明显提高的稳定性。尤其是即使在碳纤维层断裂时所述构件也不出现完全失效。
另外，可以将所述构件成型为弹性的，这尤其在用于车座支柱或用作自行车架的零件时提高了舒适性。
尤其将所述管成型为圆柱形的，然而也可以具有其它形状。
优选所述具有液晶聚合物纤维的毡到所述管的内壁的距离大于到所述管的外壁的距离。在本发明的意义上，所述距离总是指内侧或外侧直到液晶聚合物纤维开始处的距离。
尤其提出，存在由碳层形成的内部区域，所述内部区域占所述管的壁厚的55至95％、优选55至80％。
根据本发明的一个实施方式，由碳纤维毡形成的外部区域占所述管的壁厚的5至45％、优选20至40％。
在本发明的一个实施方式中，由液晶聚合物纤维形成的一个或多个层占所述管的壁厚的2至10％、优选3至8％。尤其提出，在多个碳纤维毡之间嵌入由液晶聚合物纤维形成的正好一个单向排列的层。
通过位于外侧的碳纤维毡保护了液晶聚合物纤维并且避免了形成蘑菇状。
优选管的外壁与具有液晶聚合物纤维的毡之间布置有至少3个，特别优选至少8个碳纤维的纤维毡。
通过具有液晶聚合物纤维的毡的位置，可以针对性地控制构件的性能。于是，另一个布置在外部的液晶聚合物纤维毡导致更高的弹性并且因此导致更高的舒适度(如果所述构件用于自行车)。
相反，另一个布置在内部的液晶聚合物纤维毡提供更高的强度。
在本发明的一个实施方式中，所述构件、尤其成型为管的构件包含10至100个，优选20至30个纤维毡层，其中至少一个纤维毡是液晶聚合物纤维层。
在本发明的一个改进方案中，具有液晶聚合物纤维的毡仅在所述构件的部分区域上延伸。
由于液晶聚合物纤维难以加工，所以尤其提出，仅在中部区域中用至少一个具有液晶聚合物纤维的纤维毡来加强构件。于是液晶聚合物纤维毡也可以具有不那么好的尺寸准确性。构件的末端由常规的碳纤维复合材料组成。
本发明还涉及构件，尤其是如上文描述的构件。
所述构件包括多个碳纤维的纤维毡，所述纤维毡嵌入到树脂中。因此涉及碳纤维毡形成的复合材料。
根据本发明，在碳纤维的纤维毡之间嵌入至少一个由具有较小的e模量的纤维形成的纤维毡，尤其是具有液晶聚合物纤维的纤维毡。
优选将由具有比碳纤维更小的e模量的纤维形成的纤维毡的纤维基本上单向地，也就是在构件的主延伸方向的方向上排列。
通过嵌入至少一个具有拥有明显更小的e模量的纤维的纤维毡，尤其是通过基本上单向排列的液晶聚合物纤维的纤维毡，可以提供具有更高弹性和更大稳定性(尤其在构件的完全失效方面)的构件。
预计通过具有较小e模量的纤维，尤其是通过液晶聚合物纤维，产生了套管体系(rohr-in-rohr-system)，其中管的外部区域相对于管的内部区域可以略微偏移。
由具有较小e模量的纤维形成的纤维毡的e模量优选小于碳纤维的e模量的一半，特别优选小于其三分之一。
附图说明
在下文中应参考附图图1至图4详细说明本发明的主题。
图1示出了根据本发明的实施例的基本方法步骤的流程图。
首先用丁酮来稀释环氧树脂，其中将粘度调节至对应于在4mm标准福特杯中12至18秒的粘度。
然后将液晶聚合物纤维浸没在经稀释的环氧树脂中。
然后将纤维在卷筒上卷绕成正好一个纤维层，其中所述纤维直接彼此邻接。
随后将带有纤维的卷筒在70至80℃下存放至少2小时，其中再次去除溶剂。
然后将卷筒在室温存放至少12小时。
可以切割现在产生的纤维毡。
经切割的毡以常规方式与另外的纤维毡，尤其是碳纤维毡一起施加到被包裹的泡沫材料芯上，所述泡沫材料芯例如已预先确定为自行车架或自行车轮叉的形状。
例如可以将纤维毡放置在(尤其由聚苯乙烯形成的)泡沫材料芯上，所述泡沫材料芯布置在聚酰胺软管中。
然后将构件放置在模具中并且从内部对聚酰胺软管施加压力，尤其至少10bar的压力，由此将纤维压靠在模具的壁上。
因此在至少120℃的温度可以以常规方式来烘烤复合材料构件。
图2示出了根据本发明制造的自行车架1的实施例的视图。
在此实施例中，将自行车架设计为菱形车架。
上管2、下管3、立管4、车座撑5、链撑6以及车座支柱7都可以用环氧化物基质中的至少一种根据本发明经预浸渍的液晶聚合物纤维毡来制造。单独的层的纤维在此分别在相应的管或相应的撑的主延伸方向的方向上取向。
在此实施例中，对于这些管和/或撑分别使用一层具有液晶聚合物纤维的纤维毡。将这一层插入多个碳纤维毡，尤其介于5至20个之间的碳纤维毡之间并且然后压制成复合材料。应理解，在管和撑的相交位置处大量的纤维毡彼此重叠，尤其在相对于包括液晶聚合物纤维的纤维毡的不同取向方向中。于是自动地加强了连接位置。
通过根据本发明的方法过程实现了，具有液晶聚合物纤维的纤维毡与碳纤维毡也不倾向于脱层。
应理解的是，尤其还可以强化把管和下托架，以便接纳具有金属零件，尤其具有金属套筒的对应的轴承。
在本发明的一个优选的实施方式中，仅高负载的区域，如尤其是至少车座撑5以及链撑6的中部区域用液晶聚合物纤维的纤维毡来强化。
形成自行车架1的其余的管以及下车架接头12和车座接头13相反地由不同的材料、尤其碳纤维毡形成的复合材料形成(所谓的全碳)。
图3示出了车座支柱8的视图。车座支柱8基本上由管状的区段组成，所述区段根据本发明通过嵌入环氧化物基质中的至少一个由液晶聚合物纤维组成的纤维毡制造。
在该管状的区段上可以存在例如板9，以便固定车座，车座牢固拧接在所述板处或者所述板可以包括用于接纳车座的夹持装置(未展示)。
具有液晶聚合物纤维的毡的单独的纤维优选是基本上单向的并且排列在构件的主延伸方向的方向中。
已经证实有用的是，此类的车座支柱8自身在复合结构的基质断裂时仍然通过液晶聚合物纤维而充分地保持完整，使得骑车人仍然能够暂时坐在车座上。
优选仅用液晶聚合物纤维的纤维毡来加强车座支柱8的中部区域20。
图4示出了根据本发明制造的自行车轮叉10的透视图。
自行车轮叉10包括叉杆11，所述叉杆可以由不同的材料形成，尤其成型为金属管。
在安装后的状态下，叉杆11通过轴承可旋转地支承在把管(图1中的7)中并且因此与把管和轴承一起形成把组件。
其余的自行车轮叉由包含液晶聚合物纤维的复合材料制造。
在自行车轮叉10中，至少液晶聚合物纤维层的纤维是单向地在自行车轮叉10的主延伸方向的方向上排列的。通过根据本发明使用液晶聚合物纤维可以在复合结构断裂时很大程度上避免轮叉的断开，这相对于常规的碳轮叉限制提高了安全性。
在自行车轮叉10中还优选不用液晶聚合物纤维毡加强上部区域14。于是可以容易地将轮叉10缩短到所希望的长度。
轮叉末端19优选不是用液晶聚合物纤维的纤维毡加强的。
在制造自行车轮叉10时，将液晶聚合物纤维的毡(未示出)切割成如下形状：所述形状允许所述毡从上部区域14下方出发围绕自行车轮叉10放置，使得所述毡包围整个自行车轮叉10(包括轮叉盘，除了轮叉末端19)并且能够围绕自行车轮叉10重叠一次放置。然后放置另外的具有碳纤维的预浸料。
于是产生了碳纤维复合材料的构件，所述构件至少在特别高负载的区域中(如叉杆到叉盘的过渡部和叉盘的中部区域)用液晶聚合物纤维加强。
由此可以避免在极端过载情况下构件自身的完全失效。同时通过更高的弹性提高了舒适度。
图5是本发明的构件15的示意性截面视图，所述构件在此实施例中成型为管，尤其为圆柱形管。
构件15由嵌入树脂基质中的多个碳纤维毡组成。
所述构件因此为碳纤维复合材料。
与常规碳纤维构件不同，构件15通过液晶聚合物纤维层16加强。
液晶聚合物纤维层16嵌入碳纤维之间，从而构成由碳纤维层18形成的内部区域以及由碳纤维层17形成的外部区域。
优选外部区域17成型为比内部区域18更薄。
液晶聚合物纤维层16的纤维优选基本上单向地延伸，也就是尤其以横向于所述构件的主延伸方向最大30°、特别优选最大15°的角度。
由于纤维方向上液晶聚合物纤维相对于碳纤维较小的e模量，由碳纤维层17形成的外部区域相对于由碳纤维层18形成的内部区域可以略微移动，这导致了构件15的更高的弹性。
尤其使用(在20℃)具有介于80与130gpa之间的弹性模量的液晶聚合物纤维。
通过本发明可以以简单的方式提供尤其具有明显改进的性能的自行车构件。
附图标记列表
1自行车架
2上管
3下管
4立管
5车座撑
6链撑
7把管
8车座支柱
9板
10自行车轮叉
11叉杆
12下托架接头
13车座接头
14上部区域
15构件
16液晶聚合物纤维层
17碳纤维层
18碳纤维层
19轮叉末端
20区域