作者 : LMH
腳踏車領域的材料應用會有新突破嗎？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，那裡是腳踏車的發源地。但在當時，腳踏車還不是你所認知的樣子，當然你也並不能在街上看到滿街亂竄的腳踏車大潮，但在西夫拉克家附近，你可以看到他在擺弄他新發明的“人形自走雙輪木馬”。
木頭時代
木頭，一種伴隨著人類社會發展的基礎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並且具有東方審美的法國貴族，你可能會向西夫拉克先生定製一輛你鍾愛的紫檀、黃花梨雙輪木馬，如果留存到現在說不定可以賣出一個好價錢。
到了十九世紀初期，人們完成了初代人形自走雙輪木馬的升級改造，增加了車頭的轉向功能，一時間，歐洲大陸出現了大量腳踏車，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，中國正處在清朝道光皇帝治下。
鐵時代
十九世紀慢慢推進，隨著歐洲科學技術的進一步發展，社會整體生產力提高，各種基礎材料開始大規模的應用，鐵、橡膠等材料越來越多的出現在日常生活中。1839年，出現了鐵質車架，硬橡膠輪胎也開始出現，這種實心橡膠輪胎迅速的與腳踏車發生融合，因為木頭車輪是在是太顛了，同時，踏板驅動的出現，使我們終於可以將“人形自走兩輪車”的名稱改為“腳踏車”了，造型迥異的大小輪腳踏車（高輪腳踏車）也開始風靡一時。
進入十九世紀中葉，第一次工業革命的餘溫已經褪去，歐美即將迎來第二次工業革命，蒸汽機散發的氤氳還沒消散，電氣時代和內燃機時代即將到來，作為科學技術發展的成果，越來越多的先進理念被注入到腳踏車這個領域。作為當時提升出行效率的代步工具，腳踏車或許可以算是先進生產力率先落地的代表，是一片藍海。在這一時期，鋼鐵、橡膠開始成為腳踏車的主要材料來源，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模應用，為了提升效率，我們也能看到鋼製軸承、鏈條開始出現在腳踏車身上。
鋼時代
到了十九世紀晚期，賓士發明了第一輛搭載輕型內燃機的三輪汽車，人類正式從馬車時代進入汽車時代，但不論是馬車還是汽車，都是給有錢人準備的，更為廣大的普通人民群眾所需要的出行工具依舊是腳踏車，但很可惜，歷史上並沒有為腳踏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，腳踏車領域也享受著自己獨特的福利，為汽車所研製的輕型內燃機被德國發明家戴姆勒改良後裝到了腳踏車上，形成了第一代摩托車，但由於摩托車採用了內燃機驅動，提升的出行效率太大，從問世一開始就與腳踏車的自行產生了巨大的差異，形成了另一派分支，拋下腳踏車獨自美麗去了。但除了內燃機，汽車工業發展帶來的其他福利，腳踏車還是欣然接受的，比如充氣橡膠輪胎、更先進的製造工藝。同時期，中國清朝同治年間就從歐洲進口了幾輛腳踏車。
其實在十九世紀末二十世紀初，腳踏車就完成了長達百年的國際定妝照，變成了我們所熟知的樣式：前後輪大小一致、鏈條傳動、鋼製車身、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險（特指清朝時期），所以負責辦這事的人略施一記，將門檻鋸下後改造成可拆卸式，在溥儀騎車前拆下，在溥儀騎車後裝回，既不違反祖訓規矩（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。在新中國成立後，天津飛鴿下線第一輛全國產腳踏車，腳踏車這一滿足廣大人民群眾基礎出行需求的產品，在隨後數十年成為千家萬戶必不可少的“三大件”之一。
腳踏車到此的發展就告一段落，材料上沒有發生其他的變化，而使腳踏車成為我們眼中現代運動腳踏車的樣子，還要等到二十世紀中後葉。
鋁合金時代
從某些意義上來說，腳踏車並沒有完全獨立的發展，他的進化都是與其他行業的發展緊密結合，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於馬車，到了後期更是沿用了汽車等領域的技術成果，而到了二十世紀，腳踏車車身主體材料的發展，更是要與另一個領域緊密結合，那就是飛機。
二十世紀初期，萊特兄弟就發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，萊特兄弟以前是幹什麼的。他們的本行就是腳踏車，多麼神奇又巧妙的緣分，他們可能沒有想過，在幾十年後，他們所發明的飛行器演化為真正意義上的飛機，竟然能引領腳踏車甚至是整個世界發生翻天覆地的改變。
人們為了解決飛機的重量問題，人們開始研究替代鋼鐵的基礎材料，這個時候，以鋁為基礎的合金材料開始快速發展，人類接觸鋁合金的歷史只有短短的一百年，但時至今日，鋁合金已經成為運用廣泛的基礎材料之一。這種輕金屬材料具有密度低、力學效能佳、加工效能好、無毒、易回收、導電性、傳熱性及抗腐蝕效能優良等特點，媲美高合成鋼的強度，但重量卻大幅降低，透過不同的處理工藝，能夠達到不同的使用要求，是一種應用範圍廣泛的新型材料。
二十世紀中葉，美國鋁業發明了6063合金與7075合金，看到這個標號是不是很眼熟，我們現在腳踏車上的鋁合金製品，大多來自6061和7075，不同的標號代表合金內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，除了鋁作為基礎材料外，添加了鎂和矽元素，具有耐腐蝕、中等強度、可焊接、韌性高及加工後不變形、材料緻密無缺陷及易於拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優良特點。6061、6069等標號的鋁合金材料廣泛運用於腳踏車各部件，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，強度遠高於軟鋼，也是商用最強力合金之一，7075、7050等標號的鋁合金材料一般運用於高階車把、把立等部位。
在七十年代，鋁合金車架就逐漸替代傳統鋼管車架，成為職業賽場上的主流材質。但受限於當時的技術，車架普遍保持了鋼架時代的平直、纖細風格，並沒有像現在這樣造型誇張的異型管設計，直到1995年，成立於1995年的Cervelo是公認第一家“把圓管拍扁”的品牌，這時候，人們已經在航空、航天等領域總結了空氣動力學這個新鮮學科的先進經驗，並開始應用在腳踏車領域。水滴形管型的出現，為腳踏車帶來了新的活力，但卻也帶來了新的問題，相比於圓管造型，水滴形等異形車架在重量上並不太理想。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在環法中亮相，首次採用的壓縮車架設計也為鋁合金這種材料的應用開啟另一扇窗。
在鋁合金車架快速發展的時候，還短暫出現了鎂合金車架，從材料上來說，鎂合金的比重要比鋁合金輕，加工性也不亞於鋁合金，理論上可以製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、更高階，但事實上是這樣嗎？由於鎂合金的密度比鋁合金要低，楊氏模量也要低於鋁合金，所以如果要保證同等強度，就要加大管徑或增厚管壁，裡外裡算下來和鋁合金車架沒有什麼明顯差距，所以這種鎂合金材料如曇花一現，暫時退出了腳踏車車架的領域。不過現在，你依舊可以在“某寶神車”上看到鎂合金的身影。
與6063、7075合金幾乎同時出現的，還有一種特別的合金，這也是很多車友們心心念唸的另一種材料——鈦合金。為解決航空發動機的結構問題，這種高強度、耐高溫、抗腐蝕的鈦合金被美國研發，但直到現在，由於這種材料的工藝效能差，僅在航空航天、軍工以及需要高度耐腐蝕的行業中廣泛使用。成為腳踏車車架的主體材料時間較晚，一直以來都屬於小眾類別，如果你接觸腳踏車足夠久，你應該還記得早年間的鈦合金腳踏車不但沒有塗裝，造型也比較樸素，出現個麻花車架就算是重大創新了，相比普通的鋁合金產品，鈦合金產品售價也非常昂貴，無疑自帶一種“高貴”的光環，這也是為什麼現如今鈦合金車架成為一種“情懷”的代表。
但鈦合金材料在腳踏車領域還是有種生不逢時的感覺，最開始，人們可能認為在金屬車架中，鈦合金車架的效能要優於鋁合金，加之他的處理工藝更為複雜，產量更低，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。
碳纖維
同樣在二十世紀五十年代，也是為了航空、航天、軍事領域尋求一種高模量、高強度、高耐熱材料，人們在愛迪生髮明的纖維素纖維的基礎上，研製出了碳纖維。當時正值二戰結束，冷戰開始，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，但直接推動了基礎材料的快速發展，在隨後的幾十年內，美國、日本在碳纖維領域開始長跑。我們現在提到碳纖維就會提到的東麗，成立於1926年，在1969年開始就生產出了高效能聚丙烯腈基碳纖維，直到現在都領先市場。
但碳纖維在當年屬於妥妥的“高精尖”產品，受產量限制，大多數用於軍工航天，在一般行業和民用市場應用較少，這種情況一直持續到了二十世紀八、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腳踏車LOOK KG86（環法特別版），為腳踏車的碳纖維化拉開了序幕，那時距離蘇聯解體還有五年，我國第二汽車製造廠才剛剛在湖北十堰建成投產。
雖然碳纖維車架在80年代就已經出現在環法賽場，但直到90年代初期，大部分職業車手還是選用了鋁合金車架配合碳纖維前叉的組合形式。
隨著碳纖維車架製作工藝的不斷完善，儘管鋁合金車架湧現出譬如CAAD系列等優秀產品，但在職業賽場尤其是在環法這種頂級賽事上，鋁合金車架被效能更優的碳纖維材料替代只是時間問題。
碳纖維在腳踏車領域，同樣長時間被歐美壟斷，在工藝、形制上也經歷過不同的發展階段，早期人們將碳纖維管拼接做成車架，這種套管結構碳纖維可以在一體成型技術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，一體成型工藝的發展，才真正賦予碳纖維材料車架真正的生命。在技術不斷完善的時期，我們也能看到諸如“碳包鋁”、後叉為碳纖維而前三角為鋁合金材質的“半碳車架”等過渡產品，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，人們發現透過對不同模量不同規格的碳布進行排列組合、最佳化環氧樹脂配方，車架設計師可以在效能、重量、強度、成本等方面找到不同的設計方案，而隨著模具製造、加工技術的發展，碳纖維車架也可以滿足更多樣的外部形態，相比於傳統金屬材質，可以降低重量、最佳化風阻、滿足強度等更多樣性、更細微的要求。
在新千年後，碳纖維在一定程度上徹底取代了鋁合金等金屬合金，成為頂級腳踏車車架主要的材料。
又一個二十年過去了，碳纖維車架在設計理念、製作工藝已經相對完善，除了代表最新技術的頂級產品，中高階碳纖維製品的售價也不再是遙不可及。從前些年“幹他一半”，到現在的“入門碳”，碳纖維材料可以稱得上是走入尋常百姓家。而傳統金屬材料車架，則走向兩個發展方向，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鉻鉬鋼、高碳鋼、入門級別的鋁合金，在通勤、入門健身領域依舊佔有舉足輕重的地位。另一個方向上高階化、情懷化，譬如採用“鴿子”鋼管的復古車型、效能接近碳纖維但價格更實惠的運動車型，或是走高階定製的鈦合金手工車架。
而除了車架外，腳踏車的其他零部件，同樣也經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材料變化帶來的前沿變革。在前幾年石墨烯材料被發現後，馬上就有品牌將石墨烯與外胎結合，推出對應產品。不難看出，腳踏車材料應用離不開先進工業的發展，也離不開現代科學的進步。
未來新突破
要預測腳踏車領域的材料應用新突破，我們不妨看看近些年哪些領域的材料應用有新突破。
根據國家十四五報告以及重點新材料首批應用示範指導目錄，目前相對前沿的材料主要以矽材料和碳材料為主，其中包含半導體、高分子、原子能、生物工程、奈米、石墨烯、超導材料、特種塑膠、自修復材料、液態金屬、記憶合金、3D材料、特種玻璃、特種陶瓷、稀土永磁等等，主要集中於軍工、電子通訊、晶片半導體、新能源等等領域。其中高效能纖維及複合材料、奈米材料、3D列印材料、新型能源材料等等先進材料的發展可能會在未來對腳踏車領域產生深刻的影響。
以3D列印為例，在1986年，美國科學家就開發出第一臺商業3D印表機，2010年美國打造出第一輛3D列印騎車Urbee，2011年南安普頓大學開發出第一臺3D列印飛機，2012年蘇格蘭科學家首次打印出人造肝臟組織，2013年美國3D列印金屬手槍，在2015年，國務院召開專題講座討論加快發展先進製造與3D列印等問題。
3D列印也在發展早期就與腳踏車領域相融合，2013年，捷安特推出了3D列印的腳踏車坐墊，將尼龍材料粉碎後支撐坐墊表層，2014年，英國兩家公司攜手打造出首款3D列印鈦合金車架，使用了一臺大功率鐿光纖鐳射器選擇性地把鈦合金粉末顆粒融合在一起，然後這些融合起來的鈦合金層按照實現設計好的模型打印出車架來。2015年，採用可降解PLA材質的3D列印腳踏車獲得當年歐洲腳踏車展金獎。2016年，荷蘭大學團隊利用弧焊技術3D打造了不鏽鋼腳踏車。同年，打造出首款3D列印鈦合金車架的其中一家英國公司又拉上另外兩個夥伴打造出3D列印鈦碳山地車，並支援定製幾何。一時間彷彿全世界都在用3D列印鈦合金腳踏車。天空車隊更是一步到位，在計時車Pinarello Bolide上搭載了根據車手幾何定製的3D列印休息把，如果你仔細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列印鈦合金導輪。2018年，3D列印頭盔Hexo問世，採用了聚醯胺11材料，據說緩衝效果比傳統EPS發泡材料要強68%。
2019年，閃電釋出S-Works Power Mirror 3D列印坐墊，雖然看起很高階，但洞洞坐墊在雨騎之後很難清理。同年，Fizik也釋出了3D列印坐墊。可以看到，在面對3D列印這一新技術時，腳踏車行業的大廠都是從坐墊、車把這些小零件開始玩起的，沒有個人團隊或小公司那麼激進，這意味著此刻大廠可能還沒有開始真正發力，不知道還在研究什麼大招。
根據現有的發展現狀不難預測，依託3D列印技術的特點，未來很可能會在輕型材料、高度定製這兩個方向發展，屆時，我們或許能看到更多改變我們騎行生活的產品。
未來往往轉眼即來，我們需要做的，是準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。