フレーム素材 (自転車)
一体形成による構造が実用化されるまでは、自転車の主構造はパイプを組み合わせたものであった、概ね以下の方法で結合され、フレームとして作られていた。
形状および設計の自由度が高い。比重が小さく、比剛性と振動吸収性が高い。現状では実質唯一の自転車競技車用素材である。
CFRPフレームと比べると安価ではあるが、金属系のフレーム材料としては比較的高価である。加工賃や加工難易度が高く純チタン、3Al-2.5V、6Al-4V以外のチタン合金パイプは実用化されていない。
鉄の宿命として、錆びる(ただし海岸や雨ざらしで放置しない限り、強度に影響しない表面だけである)。比重が大きい事と錆び対策の兼ね合いから重量軽減化がし辛い(但し、鋼はヤング率が極めて高い(チタンの約2倍)ので、そこまで他の素材に比べ重くなると言う訳では無い)。
鉄にマンガンとモリブデンが添加されたもの。クロムモリブデン鋼に近い特性をもつ。
炭素繊維を熱硬化性樹脂に浸し、加熱して固めて作られる。単に「カーボン(フレーム)」と呼ばれることが多い。型でフレームの大部分ごと、あるいは全体を一体成形するものが普及してきた。CFRPパイプをラグ(lug = 管継手)で接いだタイプもある。史上初のカーボンフレームは1986年にKESTRELが発売した「KESTREL4000」。つなぎ目のないカーボンモノコック構造にインナーケーブル内蔵のエアロフォルム。
モノコックタイプのフレームにはもはやフレーム構造ではないものもある(1990年代ごろのTTバイクなど)が便宜上フレーム呼ばれる。逆にダイアモンドタイプの概観でモノコックを謳うものもある(外皮の部分ごとに応力分布を計算し、コアを入れるなど工夫を凝らしている)。カーボンモノコックの製品はメーカーの技術により性能が大きく左右する。フレーム構造に比べて解析が困難であることに加え、炭素繊維の持つ特質――引張の力には強いが剪断の力には弱い、剛性(ヤング率)の高いものほど圧縮に弱いなど――により、繊維の種類や方向を綿密に設計しなければならないためである。そのため十分な性能を得るには有限要素法等の強度解析や独特のノウハウが必要とされる。最近はアルミやスチールのフレーム用チューブを供給していた鉄鋼メーカーが素材としてカーボンチューブやカーボンラグを供給している。これにより、現在では小規模なメーカーでも容易にカーボンフレームを作成することが出来るようになった。
近年ではカーボンの持つ2つの特性、すなわち剛性の高さと衝撃吸収性のそれぞれを前面に出した「レーシングモデル」「コンフォートモデル」に二分され、それぞれ発展を続けている。