碳纖維復(fù)合材料強度對體育器材耐磨性能的影響

張小躍

（洛陽市教師進修學(xué)校,河南洛陽471022）

碳纖維復(fù)合材料將過去的復(fù)合材料設(shè)想成為一層沒有厚度的面，但實際碳纖維復(fù)合材料界面是具有納米以上尺寸厚度的，在結(jié)構(gòu)上與增強體相是有明顯差別的。碳纖維復(fù)合材料界面形成可分為兩個階段，第一階段，是增強基體與纖維的接觸與浸潤過程，因增強纖維對基體分子的各種基團的吸附能力不同，在吸收的過程中，會降低表面物質(zhì)的強度。使得界面聚合層在結(jié)構(gòu)上會與聚合物本體產(chǎn)生很大的差異[1]。第二階段為樹脂的固化階段，在此過程中，要通過物理變化才能固化形成固定的界面層。固化的結(jié)果直接決定復(fù)合材料的強度。近年來，有關(guān)碳纖維復(fù)合材料的研究已經(jīng)受到許多學(xué)者的重視，若碳纖復(fù)合材料的強度得到更新深入的研究，會進一步優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料的性能，推動新型碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計，為后續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

體育器材是從事體育活動不可缺少的物質(zhì)條件，尤其是競技體育方面，體育器材的質(zhì)量會直接影響比賽的效果。當前體育運動的發(fā)展比較依賴科學(xué)技術(shù)，碳纖維復(fù)合材料作為一門新興的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，在體育領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間，故基于這一點，決定以碳纖維復(fù)合材料強度對體育器材耐磨性能的影響為探索主題，以實驗的方式，探索碳纖維復(fù)合材料對體育器材耐磨性能的影響。

1 實驗準備

1.1 實驗材料

A：海寧泰爾欣新材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯睛基碳纖維。

B：東莞空客復(fù)合材料科技有限公司生產(chǎn)的T300 和T700 碳纖維高爾夫球桿。

C：沈陽久野化工原料有限公司生產(chǎn)的氫氧化鈉。

D：蘇州皓峰化工有限公司生產(chǎn)的濃硫酸。

E：山東偉多豐生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的碳酸氫銨。

F：選擇沈陽久野化工原料有限公司生產(chǎn)的磷酸二氫銨。

G：宏森環(huán)保生產(chǎn)的去離子水。

H：廣州潔派化工科技有限公司生產(chǎn)的丙酮。

I：金沐萊化工有限公司生產(chǎn)的無水乙醇。

J：德彥化工有限公司生產(chǎn)的正庚烷。

K：鄭州冠達化工有限公司生產(chǎn)的二溴乙烷。

L：江蘇海企國際股份有限公司生產(chǎn)的對苯磺酸。

M:選擇沈陽久野化工原料有限公司生產(chǎn)的基硅油。

N：夏盛實業(yè)集團生產(chǎn)的上漿劑。

O：東莞市弘贊復(fù)合材料科技有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂。

P:選擇欣葉豪化工有限公司生產(chǎn)的酚醛樹脂。

1.2 樣品制備裝置

在本次實驗中所采用的T300 和T700 碳纖維高爾夫球是選自東莞空客復(fù)合材料科技有限公司的，這兩種試樣是運用圖1 中的電化學(xué)改性處理裝置處理的[2]。

圖1 電化學(xué)改性處理裝置Fig. 1 Electrochemical modification treatment device

圖1 為電化學(xué)改性實驗裝置的實體圖，該方法又被稱為陽極電解氧化法[3]。它是以陽極和石墨板做為陰極，以不同的酸堿鹽溶液作為電解液。在不同的直流電作用下，對碳纖維表面做改性處理[4]。該方法可以適當?shù)脑龃罄w維表面的粗糙度和強度。以此達到改善碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合性能的目的。電化學(xué)改性處理裝置適用于在線配套使用。在本次研究中，將采用堿性電解液做電化學(xué)改性處理，改性處理后的碳纖維復(fù)合材料強度就會發(fā)生變化。

圖2 為高溫除膠設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 高溫除膠設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure of high temperature degumming equipment

高溫除膠設(shè)備是負責(zé)保護碳纖維中的N2。當進入爐體時，氣流會垂直于纖維運行方向，在流過時會帶走表面裂解產(chǎn)物，再經(jīng)過排氣口排出爐外[5]。廢氣是靠爐外引風(fēng)機排出的。圖2 中的氣封管是負責(zé)封堵爐外空氣的，若有空氣從縫隙中進入爐罐，就會破壞爐內(nèi)的惰性氛圍[6]。

圖3 為碳纖維高爾夫球桿結(jié)構(gòu)圖。使用碳纖維復(fù)合材料制作而成[7]。

圖3 碳纖維高爾夫球桿模型Fig. 3 Carbon fiber golf club model

在實驗中，還采用了德國SCHENCK 公司生產(chǎn)的電子萬能實驗機，測試兩種不同強度的碳纖維復(fù)合材料對體育器材耐磨性能的影響。

1.3 實驗方案

將實驗準備的材料按照比例配置，實現(xiàn)宏觀的均勻混合。按照GB3354-82 采用深圳瑞格爾有限公司生產(chǎn)的拉伸機，測試兩種不同強度碳纖維復(fù)合材料對體育器材耐磨性能的影響，測試參數(shù)設(shè)置為V=1～6mm/min[8-9]。

2 實驗結(jié)果

強度為13.67cN/dtex 的T300 碳纖維高爾夫球桿和強度為16.84 cN/dtex 的T700 碳纖維高爾夫球桿的表面形貌掃描圖如圖4 所示。

圖4 兩種碳纖維高爾夫球桿的表面形貌掃描圖Fig. 4 Surface morphology of four kinds of carbon fiber golf clubs

圖5 兩種碳纖維高爾夫球桿的表面形貌掃描圖Fig. 5 Surface morphology of four kinds of carbon fiber golf clubs

圖5 是兩種碳纖維高爾夫球桿斷口相貌掃描圖。

圖5 是通過性能測試得到的結(jié)果。圖5（a）的碳纖維斷面邊緣沒有明顯的應(yīng)力集中點，說明在耐磨性能測試中，碳纖可以承受拉伸負荷，雖然表面出現(xiàn)深淺不一的軸向溝槽，但不會造成纖維斷裂，影響器材的耐磨性能。而圖5（b）的纖維表面是主要缺陷處，說明在承受拉伸負荷時，容易造成應(yīng)力集中，造成纖維斷裂。表面微小缺陷的存在都會成為纖維斷裂點，經(jīng)過比較后得出，強度為13.67cN/dtex 的T300 碳纖維高爾夫球桿耐磨性能相比強度為16.84 cN/dtex 的T700 碳纖維高爾夫球桿更差。

3 討論與分析

大多數(shù)的體育器材都是由碳纖維復(fù)合材料的形式使用的，其中碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料為主要形式。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料是用于增強體育器材的耐磨性能的，通過復(fù)合工藝制備而成的體育器材明顯優(yōu)于原組分材料的一類新型材料，具有高強度和耐磨性好的特點[10]，已經(jīng)成為最重要體育器材結(jié)構(gòu)材料之一。

從實驗結(jié)果可以看出，T700 碳纖維高爾夫球桿的斷口處基本均勻，只有部分纖維排列稀疏處有白點，其他部位沒有。而T300 碳纖維高爾夫球桿在耐磨性能測試時，造成了嚴重損傷，導(dǎo)致橫向出現(xiàn)纖維跡象。為了更深入了解兩種試樣的耐磨性能，采用電子針進一步觀察了兩種試樣的縱截面組織和橫截面組織[11],如圖6 所示。

圖6 兩種試樣的縱截面和橫截面組織Fig. 6 Longitudinal section and cross section organization of two kinds of specimens

從圖6 可以看出，兩種試樣內(nèi)部均存在發(fā)亮區(qū)，說明該處導(dǎo)電能力較差，導(dǎo)致點在該處富集。圖6（a）是T300 碳纖維高爾夫球桿的縱截面組織；圖6（b）是T300 碳纖維高爾夫球桿的橫截面組織；圖6（c）是T700 碳纖維高爾夫球桿的縱截面組織；圖6（d）是T700 碳纖維高爾夫球桿的橫截面組織[12]。

通過對比發(fā)現(xiàn)，圖6（a）的纖維排列均勻，但縱截面出現(xiàn)了凹槽，這是在打磨試樣過程中纖維剝落造成的。T300 碳纖維高爾夫球桿強度只有13.67cN/dtex，強度太低，導(dǎo)致試樣的縱截面組織中出現(xiàn)空洞和亮點；圖6（b）是T300 碳纖維高爾夫球桿的橫截面，從橫截面的組織中發(fā)現(xiàn)，基體中出現(xiàn)了空洞和亮點，這是由氣泡殘存在基體內(nèi)導(dǎo)致的[13]。造成氣泡的原因有：（1）碳纖維樹脂在稀釋的過程中出現(xiàn)氣泡；（2）在浸漬纖維前，樹脂靜置不充分，導(dǎo)致成型過程中樹脂仍有氣泡；（3）基體在固化的過程中，拉擠成型速度過快，導(dǎo)致小分子產(chǎn)物來不及逸出，一直殘存在基體內(nèi)。

另外，在實驗中發(fā)現(xiàn)，空洞的存在嚴重影響了纖維與基體界面的結(jié)合[14]。在磨樣的過程中，掉絲嚴重，導(dǎo)致凹槽出現(xiàn)。由界面浸潤理論可知，若浸潤時間不夠，界面上就會出現(xiàn)空隙。在承受外力時，也會出現(xiàn)裂痕，嚴重影響器材的耐磨性能。由此，說明T300 碳纖維高爾夫球桿的耐磨性能差。

從圖6 可以看出，T700 碳纖維高爾夫球桿試樣的纖維表面粘附了大量的基體，從圖6（c）可以看出，基體出現(xiàn)了臺階式斷裂，說明在耐磨測試的過程中，基體裂紋是沿著界面擴展得很短。當基體穿過纖維時，纖維和基體是一起斷裂的，它可以很好地將載荷傳遞給纖維，達到很好的耐磨性能；從圖6（d）可以看出，試樣亮塊相比T300 碳纖維高爾夫球桿的亮塊要少很多，而且沒有凹槽[15]。雖然在磨樣的過程中出現(xiàn)了掉絲的現(xiàn)象，但經(jīng)過進一步處理，可以很好地將碳纖維復(fù)合材料中的基體固化。在固化的過程中，內(nèi)部空洞逐漸消失，使得碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合強度得到有效的提高。

由此可知，在制備樣品的過程中，若采用強度低的碳纖維復(fù)合材料會直接影響體育器材的耐磨性能，造成結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致體育器材耐磨性能降低。

4 結(jié)束語

通過對比強度為13.67cN/dtex 的T300 碳纖維高爾夫球桿和強度為16.84 cN/dtex 的T700 碳纖維高爾夫球桿的耐磨性能可知，碳纖維復(fù)合材料的強度會直接影響體育器材耐磨性能，若改性基體與碳纖維之間的界面結(jié)合就會增加基體的缺陷，導(dǎo)致體育器材耐磨性能變差。因此，強度高的碳纖維復(fù)合材料是避免體育器材內(nèi)部缺陷的關(guān)鍵因素，故在后續(xù)的研究中，應(yīng)該重點研究此項因素對體育器材的影響。