灵活的碳纤维板可打造高性能鞋类

多年来，碳纤维中底板、鞋跟和其他组件一直在提高顶级运动鞋的性能并减轻其重量。然而，Carbitex Inc.（美国华盛顿州肯纳威克）的创始人兼董事长 Junus Khan 解释说，即使是复合材料，鞋类开发商在中底板的材料选择方面通常也必须妥协：选择是在足够坚固的材料之间进行选择在所需活动期间支撑足部，尽管它可能不灵活且沉重，或者是一种重量轻且灵活但不能提供足够支撑的材料。无论是选择还是介于两者之间的折衷材料，都会使鞋子和穿着者本质上效率低下，Carbitex 表示通过开发其柔性碳纤维/热塑性复合材料产品线已经能够克服这一问题。

然而，汗指出，他最初并没有打算改变制鞋业。 10 多年前，拥有经济学背景但通过在汽车行业工作了解碳纤维复合材料的 Khan 考察了行李箱市场，并想知道为什么行李箱制造商试图模仿碳纤维的美学使用弹道尼龙和其他织物，而不是使用实际的碳纤维。找不到一家生产适合行李箱市场的柔软、柔韧的碳纤维产品的公司，他决定尝试自己动手制作。

2010 年，Khan 开始利用业余时间在他的车库里研究各种碳纤维材料，到 2011 年，他的第一种材料和工艺在美国能源部太平洋西北国家实验室进行了测试。那时，他说，“我有了一个可行的概念，并且对材料空间有了更好的理解，”他决定将这个概念变成一家公司，目标是持续发展并最终销售材料。 Carbitex Inc.成立于2012年2月。

从行李箱到鞋履

Khan 解释说，其他公司已经通过将单层织物悬挂在两层热塑性薄膜之间来开发半柔性碳纤维织物。 “然而，当你在张力下拉动这种材料时，失效模式是那些从碳表面撕下的薄膜，”他说，这意味着分层的趋势会阻碍层压板的实际柔韧性。

增加灵活性。 与其他复合材料相比，Carbitex 的 CX6 产品使用专门开发的粘合剂来提高层压板的柔韧性。

Carbitex 的 CX6 产品是其原始产品，也是层压在热塑性薄膜之间的单层碳纤维织物。但是，汗说，这种织物首先用专门开发的粘合剂处理，根据 Carbitex 于 2015 年提交的美国专利，这种粘合剂赋予层压织物“类似于未用聚合物薄膜层压的织物的柔韧性，并提高了附着力和拉伸强度。”他补充说：“当您在张力下拉动我们的 CX6 材料时，故障模式是纤维实际上断裂，而不是薄膜分层。你真的得到了碳纤维的商标强度。”据称，与其他复合材料相比，该材料还具有非常低的拉伸性能，Carbitex 发现这种材料可用于精确制造的鞋类部件，以改善动力传输。

Carbitex 开始向 Tumi（美国新泽西州南普莱恩菲尔德）等公司销售其在行李箱和手袋行业内的第一个 CX6 产品，正如汗最初打算做的那样。然而，很快，Carbitex 开始收到来自其他各种行业的询问，例如消费电子产品。他说，虽然增长令人兴奋，但“与此同时，我们开始意识到我们正在把自己分散得很细。”大约三年前，该公司决定专注于一个最具潜力的市场：鞋类。

今天，Carbitex 为鞋类行业提供碳纤维板，用于滑雪板、自行车、水上运动、跑步、徒步旅行、时尚产品等。该公司最新、性能最高的鞋类应用之一是阿迪达斯于 2020 年秋季发布的足球鞋。

AFX 和 DFX：改变鞋类

专注于鞋类。 尽管预计很快会进入其他行业，但到目前为止，Carbitex 将大部分开发重点放在鞋类行业。

在过去几年中，Carbitex 发布了两种新的复合技术，称为 AFX 和 DFX。根据 Khan 的说法，与刚度由纤维取向和层长控制的“典型复合材料”不同，Carbitex 碳纤维板的刚度在其长度上是均匀的。他说，其他复合材料可能由一种树脂系统和纤维组成，而 Carbitex 的材料更复杂，包括复杂的聚合物片层和织物层，以实现所需的柔韧性。 “我们 AFX 材料的一个非常简单的版本可能将两种不同类型的碳纤维夹在另外两种或三种不同类型的聚合物之间，”他说。 “这是一个复杂的分层系统，您必须了解这些层如何组合在一起以获得 [所需的] 属性。”

通常，制造过程首先将织物分层，织物可以用粘合剂或其他织物处理剂进行处理，然后将聚合物片材制成面板。使用了来自不同供应商的各种纤维，尽管 Khan 说 Carbitex 的大部分产品包括来自 Toray Composite Materials America（美国华盛顿州塔科马）的纤维，并且经常使用来自 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）的纤维。聚合物也因应用而异，但在柔韧性和成型性方面通常是热塑性的，“尽管有时它并不完全是热塑性的，这取决于应用，”他补充道。

这些面板在热压机中固化；移除后，单个零件将通过水刀切割并成型。 Khan 说，与传统的叠层相比，在面板中制造而不是铺设单个零件会带来更高的产量。

制作过程

首先，将特定层的机织织物、预浸料和聚合物薄膜堆叠在一起形成面板。

接下来，面板在热压机中固化。

通过水刀从固化的面板上切割出特定的组件。

Carbitex 说，避免单个零件叠层可实现更高的吞吐量。

由此产生的碳纤维复合材料中底（如图是 DFX 组件）将组装成最终的鞋类应用。

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然而，在平衡刚性和柔韧性的同时，开发鞋类还面临一个额外的挑战：人的脚只能向一个方向弯曲而不会过度伸展或断裂，因此鞋材需要具有多功能性，可以向某些方向弯曲，而不能向其他方向弯曲 .汗说，Carbitex 实现了这一点，通过控制屈曲或弯曲，

故意屈曲。 AFX 材料设计为仅向一个方向弯曲，遵循人脚的限制。

层压板。 “通常在复合材料中，‘屈曲’这个词被归咎于失败，”汗说，“但我们已经想出了让纤维屈曲但不会断裂的方法。”他补充说，这项发明最初是偶然做出的，因为一位同事意识到纤维和聚合物层的某种组合导致了一种材料只能在一个方向上弯曲。 “我们意识到这必须有某种好处，”Khan 说，“所以我们开始剥离这些层，了解它是如何发生的，然后了解我们如何有目的地做到这一点。”

由此产生的产品称为 AFX，其中“AF”代表“非对称柔性”，表示它在一个方向弯曲但在另一个方向完全刚性。根据 2018 年的专利申请，Carbitex 的 AFX 产品包括一个机织织物层、一个预浸料层，以及中间的至少一个聚合物层，它们组合成一个组件，然后成型和固化。该专利说：“分层排列在第一个方向上具有很高的弯曲阻力，而在相反的第二个方向上具有较低的弯曲阻力。”

“我们的技术可以在您想要的方向上实现刚度和保护水平，”Khan 补充道。例如，采用 AFX 碳纤维中底的登山靴提供了必要的支撑和刚度，以保护足部在不平坦或垂直的地形上不会以错误的方式弯曲，但是“当你弯曲脚在平坦的地面上行走时，[靴子]就像跑鞋一样灵活，”他说。 AFX 也比通常用于加固登山靴的板和橡胶材料的组合更轻。

Carbitex 的第三款产品称为 DFX，是 AFX 的衍生产品，代表“动态柔性”，意思是鞋内材料的刚度随着脚的移动而变化。有了 DFX，“你可以拥有在某些角度超级灵活的 [鞋子]，然后在更高的角度逐渐或成倍地变硬，”汗说。 “在鞋类中，这与性能直接相关。”根据其 2020 年的专利申请，DFX 由至少三层组装并固化成一个层压板：粘合剂增强的柔性机织织物层；更坚硬的机织织物层；以及至少一层聚合物层。

Khan 指出，当运动员在跑道或场地上行走时，跑鞋或防滑钉可以柔软而灵活，然后，一旦跑步者起飞并且脚开始以更高的角度弯曲，鞋子就会变得更硬以支撑运动 . “公司不再需要妥协并选择特定的中足刚度——我们可以识别给定活动的不同功能，并围绕它设计刚度。”

“另一种看待它的方式是 DFX 增强了足部的性能，就像肌肉或韧带一样，根据拉伸方式变得灵活或僵硬。 AFX 材料更像是你的肘部或脚踝这样的关节——它的设计目的是可以很好地弯曲，”他补充道。

动态灵活性。 在阿迪达斯的 X Ghosted 足球鞋和类似应用中，DFX 材料可根据穿着者的运动情况实现可变的灵活性。

迄今为止，每种材料迭代都是针对特定的性能范围和制造集成水平专门设计的，适用于该行业，并在其中留有定制空间，例如特定的刚度或耐久性要求。该公司还为潜在客户提供定制样品。 “我们不断收集有关我们的复合材料及其工作原理和原因的数据，并构建了我们自己的建模系统以根据需要快速转换不同的版本。通常在收到询价后的一两天内，我们就可以制作出定制样品并发货，”Khan 补充道。

超越鞋类

“现在，我们的目标是继续在鞋类领域扩张，并努力抓住这个机会，”汗说。但是，公司的长期目标是发展到其他行业，例如航空航天和医疗应用。

“对我们来说，一个真正最重要的行业是骨科和假肢领域，甚至可能还有机器人领域，无论是作为我们产品真正受益的市场，还是作为与鞋类有一些相似之处的市场， “ 他说。他补充说，假肢的动态灵活性目前是通过笨重且昂贵的电子系统和液压执行器来实现的。 Khan 设想将 Carbitex 的产品用于膝盖或背部支架等应用，这种材料可以设计成防止某些运动或过度伸展，同时实现其他运动。他补充说：“使用支具，你通常会固定某人身体的一部分，因为只有一个动作会对其非常不利。关键是制作一个支架来限制一个方向的运动，但使人能够向其他方向运动。”为了实现这一目标，Carbitex 最近开始与一家制造面向儿童的牙套的公司合作开发应用程序。 Carbitex 说，该公司的材料还被用于开发用于徒步旅行者压缩袖套​​的碳纤维垫，以及连接到足球运动员头盔和肩垫的颈托，以防止颈部在游戏过程中向后折断。

在追求其他应用时，Carbitex 希望使用其产品来消除其他行业中的材料妥协，就像它一直渴望在鞋类中所做的那样。 Khan 补充道：“说您正在努力打造能让您更快、更好、更强大的产品，这听起来更酷，而我们正在这样做——但最终，我们始终在追求效率。”