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自行車領(lǐng)域的材料應(yīng)用會有新突破嗎？不得不說，這是一個老生常談卻又歷久彌新的話題，在不同的歷史時期來提問，你會得到不一樣的答案，我們不妨來一場穿越時空的凝視吧。

時間回退至兩百多年前，你來到歐洲大陸，那里是自行車的發(fā)源地。但在當(dāng)時，自行車還不是你所認(rèn)知的樣子，當(dāng)然你也并不能在街上看到滿街亂竄的自行車大潮，但在西夫拉克家附近，你可以看到他在擺弄他新發(fā)明的“人形自走雙輪木馬”。

木頭時代

木頭，一種伴隨著人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)材料被運用在他的這輛雙輪木馬上，車架、車把、車輪，你能看到的地方，幾乎都是實木打造的，如果你是一個對木頭有研究并且具有東方審美的法國貴族，你可能會向西夫拉克先生定制一輛你鐘愛的紫檀、黃花梨雙輪木馬，如果留存到現(xiàn)在說不定可以賣出一個好價錢。

到了十九世紀(jì)初期，人們完成了初代人形自走雙輪木馬的升級改造，增加了車頭的轉(zhuǎn)向功能，一時間，歐洲大陸出現(xiàn)了大量自行車，街頭巷尾都能看到男女老少其樂融融人形自走，但在材料選擇上，依舊還是木頭的天下。此時，距離世界上第一輛商用汽車的誕生還有半個多世紀(jì)，中國正處在清朝道光皇帝治下。

十九世紀(jì)慢慢推進(jìn)，隨著歐洲科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，社會整體生產(chǎn)力提高，各種基礎(chǔ)材料開始大規(guī)模的應(yīng)用，鐵、橡膠等材料越來越多的出現(xiàn)在日常生活中。1839年，出現(xiàn)了鐵質(zhì)車架，硬橡膠輪胎也開始出現(xiàn)，這種實心橡膠輪胎迅速的與自行車發(fā)生融合，因為木頭車輪是在是太顛了，同時，踏板驅(qū)動的出現(xiàn)，使我們終于可以將“人形自走兩輪車”的名稱改為“自行車”了，造型迥異的大小輪自行車（高輪自行車）也開始風(fēng)靡一時。

進(jìn)入十九世紀(jì)中葉，第一次工業(yè)革命的余溫已經(jīng)褪去，歐美即將迎來第二次工業(yè)革命，蒸汽機(jī)散發(fā)的氤氳還沒消散，電氣時代和內(nèi)燃機(jī)時代即將到來，作為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的成果，越來越多的先進(jìn)理念被注入到自行車這個領(lǐng)域。作為當(dāng)時提升出行效率的代步工具，自行車或許可以算是先進(jìn)生產(chǎn)力率先落地的代表，是一片藍(lán)海。在這一時期，鋼鐵、橡膠開始成為自行車的主要材料來源，我們能看到鋼管制作的車身，其中代表的“雷諾鋼”到現(xiàn)在都沒有退出市場，能看到鋼絲編織的車輪，能看到橡膠輪胎的大規(guī)模應(yīng)用，為了提升效率，我們也能看到鋼制軸承、鏈條開始出現(xiàn)在自行車身上。

到了十九世紀(jì)晚期，奔馳發(fā)明了第一輛搭載輕型內(nèi)燃機(jī)的三輪汽車，人類正式從馬車時代進(jìn)入汽車時代，但不論是馬車還是汽車，都是給有錢人準(zhǔn)備的，更為廣大的普通人民群眾所需要的出行工具依舊是自行車，但很可惜，歷史上并沒有為自行車劃分一個專屬的時代。不過作為解決社會交通效率的重要載體，自行車領(lǐng)域也享受著自己獨特的福利，為汽車所研制的輕型內(nèi)燃機(jī)被德國發(fā)明家戴姆勒改良后裝到了自行車上，形成了第一代摩托車，但由于摩托車采用了內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，提升的出行效率太大，從問世一開始就與自行車的自行產(chǎn)生了巨大的差異，形成了另一派分支，拋下自行車獨自美麗去了。但除了內(nèi)燃機(jī)，汽車工業(yè)發(fā)展帶來的其他福利，自行車還是欣然接受的，比如充氣橡膠輪胎、更先進(jìn)的制造工藝。同時期，中國清朝同治年間就從歐洲進(jìn)口了幾輛自行車。

其實在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，自行車就完成了長達(dá)百年的國際定妝照，變成了我們所熟知的樣式：前后輪大小一致、鏈條傳動、鋼制車身、充氣橡膠輪胎。清朝末代皇帝溥儀便是一個知名車友，他為了在故宮騎車更加方便，命人將他騎行線路上的門檻都鋸斷，但是鋸斷紫禁城門檻這事畢竟有些道德風(fēng)險（特指清朝時期），所以負(fù)責(zé)辦這事的人略施一記，將門檻鋸下后改造成可拆卸式，在溥儀騎車前拆下，在溥儀騎車后裝回，既不違反祖訓(xùn)規(guī)矩（特指清朝時期），也滿足了年輕皇帝的騎行需求，可能這能算是中國有記載以來的第一條潮汐車道吧。在新中國成立后，天津飛鴿下線第一輛全國產(chǎn)自行車，自行車這一滿足廣大人民群眾基礎(chǔ)出行需求的產(chǎn)品，在隨后數(shù)十年成為千家萬戶必不可少的“三大件”之一。

自行車到此的發(fā)展就告一段落，材料上沒有發(fā)生其他的變化，而使自行車成為我們眼中現(xiàn)代運動自行車的樣子，還要等到二十世紀(jì)中后葉。

從某些意義上來說，自行車并沒有完全獨立的發(fā)展，他的進(jìn)化都是與其他行業(yè)的發(fā)展緊密結(jié)合，早在最開始的木頭時代，人形自走雙輪木車的形式就是脫胎于馬車，到了后期更是沿用了汽車等領(lǐng)域的技術(shù)成果，而到了二十世紀(jì)，自行車車身主體材料的發(fā)展，更是要與另一個領(lǐng)域緊密結(jié)合，那就是飛機(jī)。

二十世紀(jì)初期，萊特兄弟就發(fā)明了能夠讓人飛翔的飛行器，開啟了人類航空時代的大門，但你可能不知道，萊特兄弟以前是干什么的。他們的本行就是自行車，多么神奇又巧妙的緣分，他們可能沒有想過，在幾十年后，他們所發(fā)明的飛行器演化為真正意義上的飛機(jī)，竟然能引領(lǐng)自行車甚至是整個世界發(fā)生翻天覆地的改變。

人們?yōu)榱私鉀Q飛機(jī)的重量問題，人們開始研究替代鋼鐵的基礎(chǔ)材料，這個時候，以鋁為基礎(chǔ)的合金材料開始快速發(fā)展，人類接觸鋁合金的歷史只有短短的一百年，但時至今日，鋁合金已經(jīng)成為運用廣泛的基礎(chǔ)材料之一。這種輕金屬材料具有密度低、力學(xué)性能佳、加工性能好、無毒、易回收、導(dǎo)電性、傳熱性及抗腐蝕性能優(yōu)良等特點，媲美高合成鋼的強(qiáng)度，但重量卻大幅降低，通過不同的處理工藝，能夠達(dá)到不同的使用要求，是一種應(yīng)用范圍廣泛的新型材料。

二十世紀(jì)中葉，美國鋁業(yè)發(fā)明了6063合金與7075合金，看到這個標(biāo)號是不是很眼熟，我們現(xiàn)在自行車上的鋁合金制品，大多來自6061和7075，不同的標(biāo)號代表合金內(nèi)部不同比例的合金元素。比如我最近體驗的電助力山地車，車架就來自6061鋁合金，除了鋁作為基礎(chǔ)材料外，添加了鎂和硅元素，具有耐腐蝕、中等強(qiáng)度、可焊接、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷及易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點。6061、6069等標(biāo)號的鋁合金材料廣泛運用于自行車各部件，很多人口中的“6系鋁”，說的就是這種合金。

7075合金是一種冷處理鍛壓合金，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于軟鋼，也是商用最強(qiáng)力合金之一，7075、7050等標(biāo)號的鋁合金材料一般運用于高端車把、把立等部位。

在七十年代，鋁合金車架就逐漸替代傳統(tǒng)鋼管車架，成為職業(yè)賽場上的主流材質(zhì)。但受限于當(dāng)時的技術(shù)，車架普遍保持了鋼架時代的平直、纖細(xì)風(fēng)格，并沒有像現(xiàn)在這樣造型夸張的異型管設(shè)計，直到1995年，成立于1995年的Cervelo是公認(rèn)第一家“把圓管拍扁”的品牌，這時候，人們已經(jīng)在航空、航天等領(lǐng)域總結(jié)了空氣動力學(xué)這個新鮮學(xué)科的先進(jìn)經(jīng)驗，并開始應(yīng)用在自行車領(lǐng)域。水滴形管型的出現(xiàn)，為自行車帶來了新的活力，但卻也帶來了新的問題，相比于圓管造型，水滴形等異形車架在重量上并不太理想。因此在鋁合金的處理方面，不同的廠家都會有針對性的做一些調(diào)整，在剛性、重量、成本間找到各自的平衡點，形成自家獨有的特點，比如閃電的E5鋁合金、崔克的Alpha鋁合金、捷安特的ALUXX SL鋁合金、BMC的TCC鋁合金、美利達(dá)的HFS鋁合金以及佳能戴爾著名的CAAD鋁合金等等。1999年，捷安特初代TCR在環(huán)法中亮相，首次采用的壓縮車架設(shè)計也為鋁合金這種材料的應(yīng)用開啟另一扇窗。

在鋁合金車架快速發(fā)展的時候，還短暫出現(xiàn)了鎂合金車架，從材料上來說，鎂合金的比重要比鋁合金輕，加工性也不亞于鋁合金，理論上可以制造出更為輕量化的金屬車架，很多商家宣傳鎂合金車架更輕、更高級，但事實上是這樣嗎？由于鎂合金的密度比鋁合金要低，楊氏模量也要低于鋁合金，所以如果要保證同等強(qiáng)度，就要加大管徑或增厚管壁，里外里算下來和鋁合金車架沒有什么明顯差距，所以這種鎂合金材料如曇花一現(xiàn)，暫時退出了自行車車架的領(lǐng)域。不過現(xiàn)在，你依舊可以在“某寶神車”上看到鎂合金的身影。

與6063、7075合金幾乎同時出現(xiàn)的，還有一種特別的合金，這也是很多車友們心心念念的另一種材料——鈦合金。為解決航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)問題，這種高強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕的鈦合金被美國研發(fā)，但直到現(xiàn)在，由于這種材料的工藝性能差，僅在航空航天、軍工以及需要高度耐腐蝕的行業(yè)中廣泛使用。成為自行車車架的主體材料時間較晚，一直以來都屬于小眾類別，如果你接觸自行車足夠久，你應(yīng)該還記得早年間的鈦合金自行車不但沒有涂裝，造型也比較樸素，出現(xiàn)個麻花車架就算是重大創(chuàng)新了，相比普通的鋁合金產(chǎn)品，鈦合金產(chǎn)品售價也非常昂貴，無疑自帶一種“高貴”的光環(huán)，這也是為什么現(xiàn)如今鈦合金車架成為一種“情懷”的代表。

但鈦合金材料在自行車領(lǐng)域還是有種生不逢時的感覺，最開始，人們可能認(rèn)為在金屬車架中，鈦合金車架的性能要優(yōu)于鋁合金，加之他的處理工藝更為復(fù)雜，產(chǎn)量更低，因此售價也與鋁合金車架拉開了較大差距，但不怕不懂貨，就怕貨比貨，隨著另一種材料的興起，鈦合金車架還沒享受幾天王者待遇，就退居二線了。

同樣在二十世紀(jì)五十年代，也是為了航空、航天、軍事領(lǐng)域?qū)で笠环N高模量、高強(qiáng)度、高耐熱材料，人們在愛迪生發(fā)明的纖維素纖維的基礎(chǔ)上，研制出了碳纖維。當(dāng)時正值二戰(zhàn)結(jié)束，冷戰(zhàn)開始，美蘇兩大超級大國開始“軍備競賽”，雖然這段時間是人類歷史上較為灰暗的時期，但直接推動了基礎(chǔ)材料的快速發(fā)展，在隨后的幾十年內(nèi)，美國、日本在碳纖維領(lǐng)域開始長跑。我們現(xiàn)在提到碳纖維就會提到的東麗，成立于1926年，在1969年開始就生產(chǎn)出了高性能聚丙烯腈基碳纖維，直到現(xiàn)在都領(lǐng)先市場。

但碳纖維在當(dāng)年屬于妥妥的“高精尖”產(chǎn)品，受產(chǎn)量限制，大多數(shù)用于軍工航天，在一般行業(yè)和民用市場應(yīng)用較少，這種情況一直持續(xù)到了二十世紀(jì)八、九十年代。按照能考證到的歷史，1986年法國品牌LOOK推出了第一臺碳纖維自行車LOOK KG86（環(huán)法特別版），為自行車的碳纖維化拉開了序幕，那時距離蘇聯(lián)解體還有五年，我國第二汽車制造廠才剛剛在湖北十堰建成投產(chǎn)。

雖然碳纖維車架在80年代就已經(jīng)出現(xiàn)在環(huán)法賽場，但直到90年代初期，大部分職業(yè)車手還是選用了鋁合金車架配合碳纖維前叉的組合形式。

隨著碳纖維車架制作工藝的不斷完善，盡管鋁合金車架涌現(xiàn)出譬如CAAD系列等優(yōu)秀產(chǎn)品，但在職業(yè)賽場尤其是在環(huán)法這種頂級賽事上，鋁合金車架被性能更優(yōu)的碳纖維材料替代只是時間問題。

碳纖維在自行車領(lǐng)域，同樣長時間被歐美壟斷，在工藝、形制上也經(jīng)歷過不同的發(fā)展階段，早期人們將碳纖維管拼接做成車架，這種套管結(jié)構(gòu)碳纖維可以在一體成型技術(shù)尚不完善時提供一種相對方便的解決方案，但面對競技賽事，一體成型工藝的發(fā)展，才真正賦予碳纖維材料車架真正的生命。在技術(shù)不斷完善的時期，我們也能看到諸如“碳包鋁”、后叉為碳纖維而前三角為鋁合金材質(zhì)的“半碳車架”等過渡產(chǎn)品，但最終因為重量、耐久性等問題，被全碳纖維材料取代。

隨著對材料等深入理解，人們發(fā)現(xiàn)通過對不同模量不同規(guī)格的碳布進(jìn)行排列組合、優(yōu)化環(huán)氧樹脂配方，車架設(shè)計師可以在性能、重量、強(qiáng)度、成本等方面找到不同的設(shè)計方案，而隨著模具制造、加工技術(shù)的發(fā)展，碳纖維車架也可以滿足更多樣的外部形態(tài)，相比于傳統(tǒng)金屬材質(zhì)，可以降低重量、優(yōu)化風(fēng)阻、滿足強(qiáng)度等更多樣性、更細(xì)微的要求。

在新千年后，碳纖維在一定程度上徹底取代了鋁合金等金屬合金，成為頂級自行車車架主要的材料。

又一個二十年過去了，碳纖維車架在設(shè)計理念、制作工藝已經(jīng)相對完善，除了代表最新技術(shù)的頂級產(chǎn)品，中高端碳纖維制品的售價也不再是遙不可及。從前些年“干他一半”，到現(xiàn)在的“入門碳”，碳纖維材料可以稱得上是走入尋常百姓家。而傳統(tǒng)金屬材料車架，則走向兩個發(fā)展方向，其一是入門化低端化，在民用車上大放異彩，比如成本低廉的傳統(tǒng)鉻鉬鋼、高碳鋼、入門級別的鋁合金，在通勤、入門健身領(lǐng)域依舊占有舉足輕重的地位。另一個方向上高端化、情懷化，譬如采用“鴿子”鋼管的復(fù)古車型、性能接近碳纖維但價格更實惠的運動車型，或是走高端定制的鈦合金手工車架。

而除了車架外，自行車的其他零部件，同樣也經(jīng)歷了一代又一代的材料變革，以輪組為例，從早期的木輪組、鋼絲輪組到近現(xiàn)代的鋼輪組、鋁合金輪組、碳纖維輪組，我們同樣可以看到不同時間段社會基礎(chǔ)材料變化帶來的前沿變革。在前幾年石墨烯材料被發(fā)現(xiàn)后，馬上就有品牌將石墨烯與外胎結(jié)合，推出對應(yīng)產(chǎn)品。不難看出，自行車材料應(yīng)用離不開先進(jìn)工業(yè)的發(fā)展，也離不開現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步。

未來新突破

要預(yù)測自行車領(lǐng)域的材料應(yīng)用新突破，我們不妨看看近些年哪些領(lǐng)域的材料應(yīng)用有新突破。

根據(jù)國家十四五報告以及重點新材料首批應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄，目前相對前沿的材料主要以硅材料和碳材料為主，其中包含半導(dǎo)體、高分子、原子能、生物工程、納米、石墨烯、超導(dǎo)材料、特種塑料、自修復(fù)材料、液態(tài)金屬、記憶合金、3D材料、特種玻璃、特種陶瓷、稀土永磁等等，主要集中于軍工、電子通信、芯片半導(dǎo)體、新能源等等領(lǐng)域。其中高性能纖維及復(fù)合材料、納米材料、3D打印材料、新型能源材料等等先進(jìn)材料的發(fā)展可能會在未來對自行車領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。

以3D打印為例，在1986年，美國科學(xué)家就開發(fā)出第一臺商業(yè)3D打印機(jī)，2010年美國打造出第一輛3D打印騎車Urbee，2011年南安普頓大學(xué)開發(fā)出第一臺3D打印飛機(jī)，2012年蘇格蘭科學(xué)家首次打印出人造肝臟組織，2013年美國3D打印金屬手槍，在2015年，國務(wù)院召開專題講座討論加快發(fā)展先進(jìn)制造與3D打印等問題。

3D打印也在發(fā)展早期就與自行車領(lǐng)域相融合，2013年，捷安特推出了3D打印的自行車坐墊，將尼龍材料粉碎后支撐坐墊表層，2014年，英國兩家公司攜手打造出首款3D打印鈦合金車架，使用了一臺大功率鐿光纖激光器選擇性地把鈦合金粉末顆粒融合在一起，然后這些融合起來的鈦合金層按照實現(xiàn)設(shè)計好的模型打印出車架來。2015年，采用可降解PLA材質(zhì)的3D打印自行車獲得當(dāng)年歐洲自行車展金獎。2016年，荷蘭大學(xué)團(tuán)隊利用弧焊技術(shù)3D打造了不銹鋼自行車。同年，打造出首款3D打印鈦合金車架的其中一家英國公司又拉上另外兩個伙伴打造出3D打印鈦碳山地車，并支持定制幾何。一時間仿佛全世界都在用3D打印鈦合金自行車。天空車隊更是一步到位，在計時車Pinarello Bolide上搭載了根據(jù)車手幾何定制的3D打印休息把，如果你仔細(xì)看計時賽或是器材盛宴系列文章，你能看到天空隊車的計時車車把都是眉飛色舞奇形怪狀的。2016、2017年，CeramicSpeed分別推出了兩款3D打印鈦合金導(dǎo)輪。2018年，3D打印頭盔Hexo問世，采用了聚酰胺11材料，據(jù)說緩沖效果比傳統(tǒng)EPS發(fā)泡材料要強(qiáng)68%。

2019年，閃電發(fā)布S-Works Power Mirror 3D打印坐墊，雖然看起很高級，但洞洞坐墊在雨騎之后很難清理。同年，F(xiàn)izik也發(fā)布了3D打印坐墊。可以看到，在面對3D打印這一新技術(shù)時，自行車行業(yè)的大廠都是從坐墊、車把這些小零件開始玩起的，沒有個人團(tuán)隊或小公司那么激進(jìn)，這意味著此刻大廠可能還沒有開始真正發(fā)力，不知道還在研究什么大招。

根據(jù)現(xiàn)有的發(fā)展現(xiàn)狀不難預(yù)測，依托3D打印技術(shù)的特點，未來很可能會在輕型材料、高度定制這兩個方向發(fā)展，屆時，我們或許能看到更多改變我們騎行生活的產(chǎn)品。

未來往往轉(zhuǎn)眼即來，我們需要做的，是準(zhǔn)備好包容的胸懷與開闊的視野，說不定明天，我們所期待的未來就會到來。

責(zé)任編輯：KzMe