碳纖維復(fù)合材料對(duì)塑膠健身器材抗壓縮變形性能優(yōu)化研究

喬亞軍

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710077）

隨著大眾生活水準(zhǔn)逐漸提升，大眾對(duì)于健康方面的重視程度也在不斷提高。在空閑時(shí)，人們一般會(huì)在健身房，亦或在其他體育場(chǎng)鍛煉身體，促使體育健身器材行業(yè)發(fā)展速度異常迅猛。建設(shè)健身場(chǎng)所和體育場(chǎng)所過(guò)程中需要的器材數(shù)量陸續(xù)增加，傳統(tǒng)的健身器材一般以普碳鋼為主，具有代表性的材料型號(hào)為Q235A、Q195，但是普碳鋼防水性能較差，易被腐蝕；在太陽(yáng)照射下，器材的使用壽命會(huì)縮短，當(dāng)維修人員修復(fù)不及時(shí)，將會(huì)影響健身者的健身體驗(yàn)，甚至帶來(lái)一定危險(xiǎn)[1-2]。綜合考慮上述問(wèn)題，塑料復(fù)合型材料出現(xiàn)在大眾眼前，其中，碳纖維與玻璃纖維是最具代表性的材料，然而大眾對(duì)此種新型健身材料并不熟悉，因此對(duì)其消費(fèi)需求不高。但是塑料復(fù)合材料整體質(zhì)量與工藝受到國(guó)際認(rèn)可，與傳統(tǒng)健身器材相比，其使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，抗磨損性能強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益非?？捎^。

碳纖維復(fù)合材料作為一種無(wú)機(jī)高分子纖維材料，應(yīng)用范圍非常廣泛，在很多方面可以作為金屬的替代材料，和金屬材料質(zhì)量相比，質(zhì)量較輕，但強(qiáng)度并沒(méi)有因質(zhì)量的減小而降低，相反其比一般金屬材料強(qiáng)度要高[3-4]。當(dāng)前，健身器材使用的材料主要為復(fù)合型材料，其中碳纖維復(fù)合型材料占據(jù)了非常大的比例。本文對(duì)復(fù)合型材料在塑膠健身器材抗壓縮變形方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 碳纖維復(fù)合材料對(duì)塑膠健身器材抗壓縮變形性能優(yōu)化

1.1 復(fù)合材料特性分析

復(fù)合材料也被稱(chēng)為高性能組合型材料，通常是利用物理或化學(xué)方式把幾種性質(zhì)存在差異的材料進(jìn)行合成，以此獲取材料合成后的新性能，由于合成材料具備所有參與材料的特性，故其性能較好[5-6]。

從材料結(jié)構(gòu)層面觀察，復(fù)合型材料根據(jù)基體與增強(qiáng)材料構(gòu)建而成，應(yīng)用到復(fù)合材料中的各種增強(qiáng)型材料包含玻璃纖維材料、碳纖維材料和石棉纖等。與傳統(tǒng)健身器材材料相比，塑料復(fù)合型材料具備十分突出的優(yōu)越性，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在密度小、質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、易成型、安全等級(jí)較高以及優(yōu)異的力學(xué)性能。

（1）復(fù)合材料密度小和質(zhì)量輕

復(fù)合材料化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊，密度較小，具備輕型化性質(zhì)。健身器材主要功能是提高鍛煉人員的體能水準(zhǔn)，大多數(shù)器材質(zhì)量較大，健身者在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)健身器材進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)材料在舒適程度方面無(wú)法滿(mǎn)足健身者[7-8]。相比質(zhì)地較輕的鍛煉器材會(huì)輔助鍛煉人員發(fā)揮出更好的水準(zhǔn)，以此來(lái)提升健身者的滿(mǎn)意度。該特點(diǎn)針對(duì)中老年人來(lái)說(shuō)更加適用，具備輕質(zhì)地的鍛煉器材能夠更好的和該類(lèi)型人群相匹配，同時(shí)該材料在后續(xù)維護(hù)過(guò)程中難度比較小，易于維修。

（2）復(fù)合型材料力學(xué)性能

復(fù)合型材料具備良好的拉伸性能，在彈性模量和柔韌性等方面均表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用性能，比金屬材料更為優(yōu)越。

（3）復(fù)合型材料使用壽命長(zhǎng)

較多健身器材對(duì)使用環(huán)境有著很高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，一些健身器材材料要承受持續(xù)性載荷，一些健身器材要長(zhǎng)期處于陽(yáng)光和雨水下遭受侵蝕。塑料復(fù)合型材料能夠高效抵御各種類(lèi)型的不良影響，抗腐蝕能力較強(qiáng)，承受載荷較大。目前以復(fù)合型材料為主的塑料地板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)體育健身場(chǎng)所，例如羽毛球場(chǎng)地、排球場(chǎng)地等。塑料地板應(yīng)用如圖1 所示。

圖1 塑料地板應(yīng)用Fig. 1 Application of plastic floor

（4）復(fù)合型材料的成型工藝優(yōu)勢(shì)

復(fù)合型材料成型時(shí)使用的工藝方法非常多，其中比較典型的包含注塑成型和模壓成型。把塑料復(fù)合型材料應(yīng)用至比較復(fù)雜的健身器材中，可以充分發(fā)揮出器材的可塑性特征，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)目標(biāo)。隨著成型技術(shù)不斷持續(xù)發(fā)展，新型成型工藝也層出不窮，其中最具代表性的為真空成型和纏繞成型。

（5）復(fù)合型材料安全等級(jí)高

通常情況下，金屬材料如果經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，由于長(zhǎng)期的破壞，容易產(chǎn)生安全事故。與之相比，復(fù)合型的材料具備輕質(zhì)化特點(diǎn)，安全級(jí)別較高。在使用中，纖維復(fù)合型材料的應(yīng)用最具代表性，其在局部受到破壞時(shí)，也不會(huì)對(duì)器材整體造成不良影響，能夠高效防止意外發(fā)生。

1.2 復(fù)合材料在健身器材優(yōu)化中的體現(xiàn)

健身設(shè)施與器材種類(lèi)非常多，其中大部分會(huì)使用塑料復(fù)合型材料。圖2 為較為常見(jiàn)的復(fù)合材料在健身器材優(yōu)化中的體現(xiàn)。

圖2 復(fù)合材料在健身器材優(yōu)化中的體現(xiàn)Fig. 2 Embodiment of composite materials in fitness equipment optimization

（1）水上健身運(yùn)動(dòng)設(shè)施

水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施即為船，船體制作過(guò)程中關(guān)于材料的選取要求具備高強(qiáng)度和剛度，故一般選用纖維增強(qiáng)塑料。部分高性能纖維材料能夠進(jìn)一步提升材料強(qiáng)度與比模量，如碳纖維復(fù)合材料。增強(qiáng)材料選取中主要包含玻璃纖維和碳纖維等。在沖浪板和滑水板等器材中，外層使用的主要是纖維增強(qiáng)塑料與聚氨酯泡沫結(jié)合下的復(fù)合型材料，內(nèi)層為乙烯基樹(shù)脂與聚氯乙烯相結(jié)合的材料。

（2）球類(lèi)健身運(yùn)動(dòng)設(shè)施

常見(jiàn)的球類(lèi)包含高爾夫球和棒球以及各種類(lèi)型球拍等。其中高爾夫球主要使用發(fā)泡離子樹(shù)脂，其球棒使用碳纖維塑料等相結(jié)合的復(fù)合型材料。除此之外，纖維增強(qiáng)材料還能夠制作壘球棒，當(dāng)前性能比較優(yōu)越的壘球棒一般選擇硬質(zhì)聚氨酯泡沫與玻纖增強(qiáng)型的塑料結(jié)合制成，可有效減輕球棒質(zhì)量，還能夠提升球棒使用壽命[9]。

球拍制作過(guò)程中會(huì)使用到復(fù)合型材料，當(dāng)前高檔球拍使用碳纖維復(fù)合型材料。球拍使用時(shí)會(huì)受到來(lái)自于外界因素影響，要保障球拍擁有了良好的彎曲強(qiáng)度，還要保障球拍可以具備優(yōu)異的強(qiáng)度以及扭曲剛性。

（3）滑板類(lèi)

滑板主要組成部分為支架、輪子和板體等。其中板體材料為橡膠、黏土以及金屬組成，當(dāng)前采用主要材料為聚氨酯材料。在輪子設(shè)計(jì)中，利用對(duì)聚氨酯用量進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)硬度控制，應(yīng)用至不同路面。利用聚丙烯與聚碳酸酯結(jié)合制作塑料板面，這兩種材料自身力學(xué)性能以及強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足板面在一定載荷作用時(shí)不輕易變形。

（4）自行車(chē)

當(dāng)前制造自行車(chē)時(shí)，采用大規(guī)模塑料和其他復(fù)合材料，使自行車(chē)性能得到很大的提升，且車(chē)身質(zhì)量減輕。復(fù)合材料在自行車(chē)制作中的應(yīng)用可以劃分成兩個(gè)方向：其一是利用樹(shù)脂基復(fù)合型材料實(shí)現(xiàn)自行車(chē)附加值的有效提升，并減輕車(chē)身的質(zhì)量；其二是根據(jù)熱塑性塑料實(shí)現(xiàn)微型自行車(chē)部件的制作。

（5）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)與跑道

當(dāng)前運(yùn)行場(chǎng)地的塑膠跑道與地板正日漸替代水泥地，體育場(chǎng)、學(xué)校等地均已廣泛使用塑膠材料。其中塑膠跑道具備減震性能、防滑性能等優(yōu)勢(shì)。塑膠跑道主要構(gòu)成部分如圖3 所示。

圖3 塑膠跑道主要構(gòu)成部分Fig. 3 Main components of plastic runway

除此之外，改性的聚氨酯材料應(yīng)用至跑道中具備低毒性，對(duì)生態(tài)環(huán)境較為友好，納米改性聚氨酯具備非常好的強(qiáng)度與彈性，具備優(yōu)異的耐老化與耐磨性，可以改善拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)性能，耐熱和阻燃等性能非常優(yōu)越。

（6）撐桿

傳統(tǒng)撐桿的材質(zhì)多為木質(zhì)材料，盡管具備比較高的強(qiáng)度，但其彈性較差。在20 世紀(jì)60 年代，撐桿制作過(guò)程中采用尼龍材料，其具備較高的韌性以及較輕的質(zhì)量，應(yīng)用性能良好。將玻璃纖維增強(qiáng)尼龍應(yīng)用至撐桿制作中，提高了撐桿彈性。在高性能纖維材料不斷發(fā)展和創(chuàng)新的背景下，碳纖維復(fù)合材料逐漸替代了玻璃纖維，成為性能最佳撐桿材料[10]。其中，碳纖維復(fù)合材料制作的撐桿具備很強(qiáng)的彈性形變性能，且儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)十分顯著，彈性勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化速度快，能夠幫助鍛煉人員得到優(yōu)異成績(jī)。

2 塑膠健身器材抗壓縮變形性能優(yōu)化

為了體現(xiàn)塑膠健身器材抗壓縮變形的優(yōu)勢(shì)，本文從碳纖維復(fù)合材料彈性模量入手對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。影響碳纖維復(fù)合材料性能的因素主要分為兩類(lèi)。一類(lèi)為碳纖維復(fù)合材料中每一份材料常數(shù); 另一類(lèi)為碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，主要包括內(nèi)部增強(qiáng)相外貌特征 、類(lèi)別等特征。

假設(shè)在碳纖維復(fù)合材料的形變過(guò)程中其具備相同的應(yīng)力，其等效彈性模量為：

式（1）中，彈性模量為 M,μ，代表定值常量， Ra,Rb均代表碳纖維復(fù)合材料中成分的體積分?jǐn)?shù)。

碳纖維復(fù)合材料在塑膠健身器材抗壓縮變形性能中通過(guò)碳纖維材料的平均應(yīng)力、應(yīng)變展現(xiàn)。

假設(shè)碳纖維復(fù)合材料的平均應(yīng)力、應(yīng)變分別為和，則碳纖維復(fù)合材料的平均應(yīng)力、應(yīng)變通過(guò)式（2）、（3）進(jìn)行計(jì)算，即：

式（2）、（3）中，k 表示碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)，l 表示彈性本構(gòu)參數(shù)，v 表示碳纖維復(fù)合材料的最大應(yīng)力范圍。

碳纖維復(fù)合材料的壓縮形變通過(guò)式（4）進(jìn)行計(jì)算，即：

式（4）中， h0為碳纖維材料的原始厚度，mm ; h1代表去除壓力后碳纖維材料恢復(fù)后的厚度，mm ; hn代表大面積碳纖維材料的厚度，mm 。

通過(guò)對(duì)上述碳纖維材料的應(yīng)用以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，完成了碳纖維復(fù)合材料對(duì)塑膠健身器材抗壓縮變形性能優(yōu)化研究。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證碳纖維復(fù)合材料對(duì)塑膠健身器材抗壓縮變形性能優(yōu)化效果，針對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料的耐腐蝕、力學(xué)性能方面對(duì)材料的抗壓縮變形性能進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及過(guò)程

該實(shí)驗(yàn)所需材料包含Ca(OH)2、NaOH、NaCl 和KOH，使用的儀器為電子天平等。實(shí)驗(yàn)步驟為：稱(chēng)118.5 g 的 Ca(OH)2，0.9 g 的 NaOH，4.2 g 的 KOH 以及35 mL 的NaCl 溶液在1000 mL 的去離子水中相溶，將其分成三份，將三組材料浸泡于混合液中28 天，約間隔一周檢驗(yàn)一次，檢驗(yàn)其腐蝕性能。實(shí)驗(yàn)選取碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料BQ-Y-P-1.5K-025，長(zhǎng)度與寬度值為250 mm×20 mm。實(shí)驗(yàn)中需要的儀器包含微型測(cè)力傳感器、位移傳感器、沖擊測(cè)試機(jī)器和萬(wàn)能測(cè)試機(jī)等，檢驗(yàn)材料的力學(xué)性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)

在上述實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)置后，對(duì)所選材料進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料耐腐蝕性測(cè)試結(jié)果Table 1 Corrosion resistance test results of carbon fiber reinforced resin based materials

分析表1 中數(shù)據(jù)能夠得到，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基耐腐蝕性能在4 周混合液浸泡下，產(chǎn)生了不同程度變化，其中主要檢驗(yàn)氣泡與質(zhì)量，其變化較小，證明防腐性能較強(qiáng)。

3.2.2 不同材料力學(xué)性能分析

對(duì)材料的拉伸性和沖擊性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)方法所用材料與本文方法所用材料的力學(xué)性能，其中拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同材料的拉伸強(qiáng)度對(duì)比Fig. 4 Comparison of tensile strength of different materials

分析圖4 可以看出，傳統(tǒng)材料的拉伸強(qiáng)度低于本文材料的拉伸強(qiáng)度。本文材料的拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)約380 MPa, 傳統(tǒng)材料的拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)約300MPa。驗(yàn)證了本文方法所用材料性能更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)健身鍛煉器材中，均選用金屬、木質(zhì)等材料，綜合性較差。塑料、復(fù)合材料應(yīng)用逐漸廣泛，已經(jīng)陸續(xù)替代了傳統(tǒng)材料，其不僅可以延長(zhǎng)健身器材壽命，還可以減輕器材質(zhì)量，保障健身器材的強(qiáng)度與剛度。本文針對(duì)纖維復(fù)合材料在各種塑膠健身器材中的應(yīng)用，并通過(guò)計(jì)算復(fù)合材料的彈性模量以及應(yīng)力等對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 碳纖維復(fù)合材料對(duì)塑膠健身器材抗壓縮變形優(yōu)化具有良好的應(yīng)用性能，可靠性強(qiáng)，存在一定的優(yōu)勢(shì)。