Carbitex的柔性碳纖維/熱塑性復合材料板采用了創新性的工程設計，從而消除了運動鞋的設計缺陷。

　　增強高性能運動鞋

　　華盛頓初創公司Carbitex的碳纖維/熱塑性復合材料產品旨在消除鞋類應用中穩定性和柔韌性方面的材料沖突做出的讓步。圖為Carbitex的DFX產品。

　　多年來，碳纖維中底板（midsole plates），鐵芯（shanks）和其他組件一直在提高性能并減輕頂級運動鞋的重量。 但是，Carbitex Inc.（美國華盛頓州肯尼威克）的創始人兼董事長Junus Khan解釋說，即使使用復合材料，制鞋開發商在選擇中底板的材料時通常也必須做出妥協：在足夠堅硬的材料之間進行選擇。 盡管腳可能不靈活，笨重，或者是重量輕且柔軟但不能提供足夠支撐的材料，但在所需的活動過程中可以支撐腳。 無論是選擇哪種方法，還是采用介于兩者之間的折衷材料，都會使鞋子（以及穿著者）固有地效率低下，Carbitex表示，通過開發柔性碳纖維/熱塑性復合材料產品線，已經能夠克服這一問題。

　　但是，Khan指出，他初并未打算改變制鞋業。大約10多年前，Khan擁有經濟學背景，但通過在汽車行業工作而了解了碳纖維復合材料，他考察了行李箱市場，想知道為什么箱包制造商試圖用彈道尼龍和其他織物來模仿碳纖維的美學，而不是使用真正的碳纖維。由于找不到一家能生產出適合箱包市場的柔軟、柔韌的碳纖維產品的公司，他決定親自動手制造。

　　自2010年起，Khan就開始利用業余時間在車庫里研究各種碳纖維材料，并于2011年在美國能源部西北太平洋實驗室測試了他的種材料和工藝。那時，他說：“我有一個可行的概念，并且對材料空間有了更好的了解，”他決定將這個概念轉變為一家公司，目標是繼續開發并終銷售材料。Carbitex Inc.成立于2012年2月。

　　AFX和DFX：改造鞋類

　　專注于鞋類

　　盡管期望能盡快進入其他行業，但到目前為止，Carbitex將其大部分發展重點放在了制鞋業。

　　在過去的幾年中，Carbitex發布了兩種新的復合技術，稱為AFX和DFX。Khan認為，與“典型復合材料”的剛度由纖維取向和層長度控制的不同，Carbitex碳纖維片材的硬度在整個長度上都是均勻的。他說，在其他復合材料可能由一種樹脂系統和纖維組成的情況下，Carbitex的材料更加復雜，涉及復雜的聚合物片層和織物層，以實現所需的柔韌性。他說：“我們的AFX材料的非常簡單的版本可能將兩種不同類型的碳纖維夾在另外兩種或三種不同類型的聚合物之間。” “這是一個復雜的分層系統，您必須了解如何將這些層合并在一起以實現[所需]屬性。”

　　通常，制造過程先將可以用粘合劑或其他織物處理方法處理過的織物和聚合物片層合到面板中。盡管汗表示，Carbitex的大多數產品都包含美國Toray Composite Materials公司（美國華盛頓州塔科馬市）生產的纖維，并且經常使用Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福市）生產的絲束織物，但仍使用來自不同供應商的各種纖維。聚合物也因應用而異，但通常具有熱塑性，以提供柔韌性和可成型性，“盡管有時根據應用的不同，它不是完全熱塑性的，”他補充道。

　　這些面板在熱壓機中合并在一起；一旦移除，將通過水刀切割并成型單個零件。Khan說，與傳統的疊層相比，采用面板制造而不是單個零件疊層可以提高產量。

　　制造工藝

 

　　先，將特定的機織織物，預浸料和聚合物薄膜層堆疊在一起形成面板。

 

　　接下來，將面板在加熱壓機中固結。

 

　　通過噴水從固化的面板上切下特定的組件

 

　　Carbitex說，避免單獨的零件疊置可以提高生產率。

 

　　所得的碳纖維復合材料中底將組裝到終的鞋類應用中。

　　但是，除了要兼顧剛性和柔韌性之外，開發鞋類還面臨另一個挑戰：人的腳只能在一個方向彎曲而不會過度伸展或折斷，因此鞋材需要具有在某些方向彎曲的多功能性，而在其他方向則沒有彎曲性。Khan說，Carbitex通過控制層壓板的彎曲或彎曲來實現這一目標。Khan說：“通常在復合材料中，“屈曲”一詞歸因于失敗，但我們想出了使纖維屈曲而不斷裂的方法。” 他補充說，這項發明初是偶然產生的，因為一位同事意識到纖維和聚合物層的某種組合導致一種材料僅在一個方向上彎曲。Khan說：“我們意識到這樣做必須有某種好處，因此我們開始剝離這些層，了解它是如何發生的，然后了解我們如何有目的地做到這一點。”

　　根據腳部的形狀限制，AFX材料的設計只能沿一個方向彎曲。

　　生成的產品稱為AFX，其中的“ AF”代表“非對稱柔性（Asymmetrically Flexible）”，表示它在一個方向上彎曲而在另一個方向上完全剛性。根據2018年的申請，Carbitex的AFX產品包括機織織物層，預浸料坯層以及在它們之間的至少一個聚合物層，它們組合成一個組件，然后進行成型和固化。該說：“分層結構在方向上具有較高的抵抗力，而在相反的第二方向上具有較低的抵抗力。”

　　“我們的技術可在您想要的方向上實現一定程度的剛度和保護，” Khan補充道。例如，裝有AFX碳纖維中底的遠足靴，具有保護腳部以防止在不平坦或垂直地形上以錯誤的方式彎曲所需的支撐力和剛度，但“當您彎曲腳以在平坦的地面上行走時，[靴子就像跑鞋一樣靈活。”他說。AFX還比通常用于加固遠足靴的木板和橡膠材料輕。

　　Carbitex的第三種產品稱為DFX，它是AFX的衍生產品，代表“動態靈活性（Dynamically Flexible）”，這意味著鞋子中材料的剛度會隨著腳的移動而變化。借助DFX，“您可以擁有一種[鞋子]，它在某些角度將具有超強的柔韌性，然后在更大的角度將變得越來越硬或呈指數變硬，” Khan說。“在鞋類中，這與性能直接相關。”根據其2020年申請，DFX至少由三層組成，并固化成一個層壓板：粘合劑增強的柔性機織織物層；較硬的機織織物層；至少一層聚合物層。

　　Khan指出，當運動員在田徑場上行走時，跑步鞋或防滑釘可能會柔軟而有彈性，然后，一旦跑步者起飛并且腳開始以更大的角度彎曲，則鞋子會變得更硬以支撐 運動。“公司不再需要折中并選擇特定的中足硬度-我們可以確定給定活動的不同功能，并設計相應的硬度。”

　　“另一種看待它的方式是，DFX增強了腳的性能，就像肌肉或韌帶一樣起作用，取決于它們被拉伸的方式而變得靈活或僵硬。AFX材料的行為更像是肘部或腳踝等關節，其設計可以使單向彎曲得非常好。”他補充說。

　　在阿迪達斯（Adidas）的X Ghosted足球鞋防滑鞋和類似應用中，DFX材料可根據穿著者的運動提供可變的靈活性。

　　到目前為止，每種材料迭代都是針對特定性能范圍和確定的適用于行業的制造集成水平而專門設計的，在此范圍內還可以進行自定義，例如特定的剛度或耐用性要求。該公司還向潛在客戶提供定制樣品。“我們不斷收集有關復合材料及其工作方式和原因的數據，并建立了自己的建模系統，可以根據需要快速轉換不同的版本。通常，在接到詢盤后的一兩天內，我們就可以制作定制樣品并送貨上門了。

　　野心不止于鞋類

　　Khan說：“目前，我們的目標是繼續在鞋類領域擴大業務，并努力抓住這一機會。” 但是，公司的長遠目標是發展到其他行業，例如航空航天和醫療應用。

　　“矯形外科和假肢領域，甚至是機器人領域，對我們來說都是真正重要的行業，既是一個我們的產品可以真正受益的市場，又是一個與鞋類相似的市場， “ 他說。他補充說，目前假肢的動態靈活性是通過笨重而昂貴的電子系統和液壓執行器來實現的。Khan設想將Carbitex產品用于膝蓋或后背支架等應用中，在這種應用中可以對材料進行工程設計，以防止某些運動或過度伸展，同時允許其他運動。他補充說：“戴上牙套，您通常會固定某人身體的一部分，因為只有一個動作確實對身體有害。關鍵是要制造一種支撐裝置，以限制該運動的一個方向，但使人能夠沿其他方向運動。”為了實現這一目標，Carbitex近開始與一家專門為兒童制作牙套的公司開發應用程序。Carbitex說，該公司的材料還被用于開發用于徒步旅行者的壓縮袖子的碳纖維墊，以及用于連接足球運動員頭盔和肩墊的護頸墊，以防止脖子在玩游戲時向后彈開。

　　在尋求其他應用時，Carbitex希望使用其產品來消除其他行業中的材料沖突做出的讓步，就像它不斷追求在鞋類中一樣。Khan補充說：“說您正在努力尋求使自己更快，更好，更強大的產品聽起來很酷，我們正在這樣做-但終，我們一直在追求效率。”