碳纖維復(fù)合材料體育器材裝備工藝優(yōu)化與性能分析*

程玉柱

（西安理工大學(xué)高科學(xué)院，陜西西安 713700）

碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）是一類(lèi)碳纖維與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體進(jìn)行復(fù)合加工形成的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的總稱(chēng)[1]。隨著現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，競(jìng)技、健身、娛樂(lè)體育場(chǎng)景對(duì)器材和裝備的要求越來(lái)越高，以CFRP等材料最主要代表的新型材料將逐漸取代傳統(tǒng)體育器械、裝備中的金屬與木材部件，在充分提高器械性能的同時(shí)，充分優(yōu)化器械、裝備的生產(chǎn)工藝。如利用CFRP取代傳統(tǒng)的F1賽車(chē)車(chē)身、車(chē)架，從而最大程度進(jìn)行車(chē)身減重、增強(qiáng)車(chē)身剛性和強(qiáng)度；利用硬質(zhì)聚氨酯代替一般溜冰鞋中的滑輪部分，充分提高鞋體耐磨性；利用層壓CFRP制作高爾夫球桿、網(wǎng)球拍骨架，降低裝備整重的同時(shí)有效提升了器械綜合力學(xué)性能等。

1 CFRP材料綜合性能優(yōu)勢(shì)

CFRP材料屬無(wú)機(jī)高分子纖維材料，比強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能通常分別可以達(dá)到近1300MPa、160000MPa，且不同改性手段、方式加工而成的CFRP材料能夠具備不同的力學(xué)性能，用于不同種類(lèi)運(yùn)動(dòng)器材、裝備的加工。當(dāng)前體育器材加工領(lǐng)域應(yīng)用較多的碳纖維復(fù)合材料樹(shù)脂及其主要物理特性見(jiàn)表1。

表1 體育器材CFRP典型材料及物理特性Table 1 Typical materials and physical properties of sports equipment CFRP

1.1 HTA-P30 碳纖維復(fù)合材料

HTA-P30 碳纖維復(fù)合材料基體為環(huán)氧/胺體系。李敬凱[2]針對(duì)不同摻雜情況下體育器材用HTA-P30 碳纖維復(fù)合材料彈性模量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為碳纖維材料普遍具備低密度性、較高的抗拉強(qiáng)度以及理想的彈性模量等；在摻雜Al 和Mg 時(shí)，能夠顯著提升HTA-P30 碳纖維復(fù)合材料的彈性模量。HTA-P30 碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)氧化法、等離子法等進(jìn)行處理后，HTA-P30有效避免了一般碳纖維材料表面粘結(jié)性能差等問(wèn)題，界面性能更好，可以被廣泛應(yīng)用于自行車(chē)、賽車(chē)等領(lǐng)域。

1.2 改性碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料

高鵬等[3]以NdFeB、KH550為主要添加物，針對(duì)影響碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的磁通量的核心因素進(jìn)行分析，認(rèn)為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料在KH550含量為2%時(shí)能夠獲得最大磁通量；NdFeB 含量提升能夠微弱增強(qiáng)復(fù)合材料磁通量，但影響不明顯。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料能夠克服一般金屬磁性材料在體育器材加工過(guò)程中脆而硬、難加工等問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化體育器械、裝備的成型工藝，對(duì)于某些體育器械磁性材料使用有較高的可替換性。

1.3 CNT-PDA碳纖維復(fù)合材料

崔營(yíng)[4]將多巴胺改性的碳納米材料與碳纖維、環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行反應(yīng)，合成了體育器械用CNT-PDA碳纖維復(fù)合材料。該類(lèi)型材料具有明顯優(yōu)于一般金屬、非金屬材料的表面形貌和耐磨性能。同時(shí)，由于材料中添加了質(zhì)量比為30%的聚四氟乙烯，極大地提升了體育器材的疏水特性，使碳纖維材料的應(yīng)用范圍逐漸觸及各類(lèi)型水上運(yùn)動(dòng)如帆船運(yùn)動(dòng)中的桅桿等。

2 CFRP體育器材加工工藝優(yōu)化

2.1 CFRP體育器材典型成型方法

CFRP體育器材的具體加工方法與工藝需要根據(jù)不同體育器材、不同產(chǎn)品型號(hào)、不同目標(biāo)人群進(jìn)行針對(duì)性開(kāi)發(fā)。同時(shí)，采用不同工藝加工而成的統(tǒng)一規(guī)格體育器材也有可能產(chǎn)生不同的綜合性能。根據(jù)具體的體育器材類(lèi)型、形狀、性能要求等，合理地設(shè)計(jì)材料制備與成型工藝能夠顯著提升產(chǎn)品性能與生產(chǎn)效率，極大地降低體育器材、裝備加工過(guò)程中的生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜程度[5]。圖2所示為幾種典型的CFRP體育器械成型方法。

圖2 典型CFRP體育器械成型方法Fig.2 Typical molding methods of CFRP sports instruments

纏繞成型技術(shù)主要用于高爾夫球桿、棒球桿等“桿”類(lèi)具有固定規(guī)格與特定形狀體育器材加工領(lǐng)域。在成型過(guò)程中將浸潤(rùn)過(guò)樹(shù)脂材料基體后的碳纖維圍繞統(tǒng)一規(guī)格或形狀的模具進(jìn)行成型固化，能夠保證加工完成的體育器材碳纖維排列方向完全符合體育器材使用過(guò)程中的受力狀態(tài)與方向。纏繞成型方式加工工藝簡(jiǎn)單、易操作，但僅適合部分規(guī)格固定、形狀固定的體育器材。

橫壓成型技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)于某些生產(chǎn)量大、形狀較為規(guī)則的體育器材適用性較強(qiáng)，在成型過(guò)程中主要依賴(lài)模具對(duì)升溫熔融以后的材料進(jìn)行施壓、冷卻、固化成型。橫壓成型技術(shù)生產(chǎn)效率極高，具有較強(qiáng)的可重復(fù)性，但復(fù)雜模具開(kāi)模成本較高，可拓展性較差。

RTM成型技術(shù)可以對(duì)產(chǎn)品形狀進(jìn)行高度定制設(shè)計(jì)，可以廣泛應(yīng)用于自行車(chē)、賽車(chē)、帆船等產(chǎn)品形狀不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)化程度低的體育器材加工領(lǐng)域。RTM成型技術(shù)成型方法，是將CFRP織物在模具中進(jìn)行預(yù)成型，后將熔融狀態(tài)下的樹(shù)脂基體材料注入模具進(jìn)行澆注最終通過(guò)常溫冷卻固化成型，得到復(fù)雜形狀體育器材部件。RTM成型技術(shù)具有較高的體育器材產(chǎn)品可定制性。

拉擠成型技術(shù)可以靈活控制碳纖維浸潤(rùn)基體材料的量，從而獲得性能差異程度較高的體育器材。拉擠成型過(guò)程首先對(duì)碳纖維材料施加牽引力，之后將拉伸狀態(tài)下的碳纖維材料進(jìn)行樹(shù)脂基體浸潤(rùn)，隨后經(jīng)過(guò)擠壓和加熱固化工藝得到最終的體育器械。通常拉擠工藝更適用于加工具有簡(jiǎn)單規(guī)格與形狀的體育器械，如弓箭中的箭體、撐桿等。

2.2 CFRP體育器材成型工藝優(yōu)化方法

2.2.1 熱壓罐工藝

熱壓罐成型工藝當(dāng)前多用于航空航天復(fù)合材料成型加工領(lǐng)域，使用占比超過(guò)80%。利用熱壓罐工藝進(jìn)行CFRP體育器材加工時(shí)，需要將預(yù)浸料按體育器材具體工藝鋪層要求放于模具上，利用真空袋將毛坯進(jìn)行密封處理后放置于碳纖維熱壓罐中。保持熱壓罐內(nèi)部處于真空狀態(tài)，經(jīng)設(shè)備升溫→加壓→保溫→降溫→卸壓等工序?qū)崿F(xiàn)固化，從而獲得某些表面與內(nèi)部質(zhì)量要求高、形狀復(fù)雜的體育器械碳纖維復(fù)合材料制件[6]。與傳統(tǒng)工藝相比，熱壓罐成型工藝能夠向預(yù)浸料提供足夠的壓力，保證對(duì)材料內(nèi)部孔隙的充分抑制。熱壓罐成型工藝在體育器材領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)集中在F1賽車(chē)、汽車(chē)?yán)惖仍靸r(jià)充裕體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的復(fù)雜部件、主次承力結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)中。

2.2.2 真空袋壓工藝

由于熱壓罐成型工藝成本較高，對(duì)于某些冷門(mén)項(xiàng)目或資金籌備較為困難的體育項(xiàng)目而言并不適用。因此科研人員研發(fā)出一種基于熱壓罐工藝的新型碳纖維成型技術(shù)——真空袋壓工藝。該工藝與熱壓罐最大的差異在于以固化爐代替了熱壓罐完成后期的固化工藝。固化爐造價(jià)遠(yuǎn)低于熱壓罐，但無(wú)法形成高于一個(gè)大氣壓的內(nèi)壓，因此想要獲得足夠高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品孔隙率，需要對(duì)樹(shù)脂和預(yù)浸料進(jìn)行工藝改良。劉佳[7]認(rèn)為，半浸潤(rùn)的預(yù)浸料能夠有效地提高氣體滲透性，將干纖維作為排出材料內(nèi)部氣體的通道，在實(shí)現(xiàn)體育器材部件固化時(shí)充分排出卷入氣體。

2.2.3 預(yù)浸料吹氣模壓

為解決一般模壓成型無(wú)法加工中空部件的缺陷，臺(tái)灣省知名球拍企業(yè)率先發(fā)明并使用了預(yù)浸料吹氣模壓技術(shù)用于加工某些高端碳纖維羽毛球拍等。該工藝最初將預(yù)先填充的發(fā)泡劑放入模具中進(jìn)行加壓，在熱水發(fā)泡后發(fā)泡劑產(chǎn)生一定的壓力將預(yù)浸料撐開(kāi)最終定型[8]。然而由于該工藝加工而成的球拍在使用時(shí)存在噪音、重量無(wú)法控制等問(wèn)題，在原有工藝基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了吹氣模壓工藝，并逐漸廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型球拍、球棒、自行車(chē)零部件的加工領(lǐng)域。

2.2.4 卷管工藝

卷管工藝又名搓管工藝，是采用卷管機(jī)上的熱輥，使預(yù)浸料軟化熱卷成型的一種復(fù)合材料制品成型方法。卷管工藝多被用于生產(chǎn)方管、圓管、三角管等管類(lèi)體育器材如釣桿、車(chē)架等。卷管機(jī)上的熱輥能夠軟化碳纖維預(yù)浸料，在一定的張力作用下，隨著熱輥轉(zhuǎn)動(dòng)將預(yù)浸料連續(xù)卷到管芯上直至達(dá)到體育器材生產(chǎn)工藝的要求，然后通過(guò)冷輥冷卻定型取出，最后在纏繞熱收縮膜基礎(chǔ)上烤箱固化處理，去掉熱收縮膜和模具即得到體育器材待使用管材部件。

3 CFRP體育器材性能及其對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的影響

3.1 撐桿跳

撐桿跳運(yùn)動(dòng)是最早納入奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的正式比賽項(xiàng)目之一。最早的撐桿跳用桿以胡桃木材質(zhì)為主，該類(lèi)型材料韌性高、結(jié)實(shí)，但不具備較高的儲(chǔ)能性和彈性，運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行競(jìng)技時(shí)會(huì)浪費(fèi)掉大量的動(dòng)能，進(jìn)而影響了撐桿跳運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的提升，彼時(shí)撐桿跳最高成績(jī)?yōu)?.30米。1905年開(kāi)始撐桿跳項(xiàng)目用桿改以竹類(lèi)材料為主，以竹子加工而成的撐桿質(zhì)量輕、中空，具有較好的韌性和彈性，能夠顯著提升運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平，最高成績(jī)達(dá)到4.77米，但竹子容易老化，老化后的撐桿韌性下降明顯，競(jìng)技過(guò)程中易發(fā)生折斷現(xiàn)象影響運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技與人身安全。1948年美國(guó)設(shè)計(jì)制造出重量更輕、彈性更強(qiáng)的玻璃纖維竿，撐桿加工所使用的材質(zhì)逐漸由竹竿過(guò)渡為聚酰胺再至玻璃纖維，撐桿跳運(yùn)動(dòng)世界記錄已突破了6米的高度。進(jìn)入21世紀(jì)后撐桿跳運(yùn)動(dòng)已普遍開(kāi)始使用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行加工，最高成績(jī)已經(jīng)達(dá)到了6.16米[9]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)員不同的發(fā)力習(xí)慣進(jìn)行不同的材質(zhì)與成型工藝選擇，從而最大化提升撐桿性能。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工而成的撐桿耐用、輕盈、柔韌性異常優(yōu)異，基本杜絕了以往竹竿、玻璃纖維桿等扭結(jié)或斷裂現(xiàn)象。同時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彈性形變能力優(yōu)異，在被壓彎至最大弧度后能夠迅速將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，幫助運(yùn)動(dòng)員騰空飛躍取得理想成績(jī)。

3.2 各類(lèi)型球拍

羽毛球、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)所使用的球拍屬于非常常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)器材。20世紀(jì)70年代，日本某球拍加工廠家首次使用了CFRP用以替代傳統(tǒng)的木質(zhì)、鋁合金材質(zhì)球拍。隨著羽毛球、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的普及和發(fā)展，CFRP球拍已經(jīng)全面取代了職業(yè)競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中的金屬材質(zhì)球拍，并逐漸占領(lǐng)了業(yè)余羽毛球、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)高端器材加工領(lǐng)域。CFRP材料主要用于加工球拍拍桿、拍框部位，實(shí)現(xiàn)了羽毛球拍的總體輕量化，球拍總重已低于100g[10]。CFRP球拍具有極強(qiáng)的可塑性、延展性、減振性能，同等規(guī)格的碳纖維網(wǎng)球拍能夠獲得比木質(zhì)球拍高出50%的球拍面積，最大程度上提升網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中“甜蜜點(diǎn)”。同時(shí)，碳纖維材料本身質(zhì)量較輕，比模量、比強(qiáng)度又遠(yuǎn)高于一般木質(zhì)或金屬材質(zhì)，因而能夠在大型球拍加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)球拍輕量化的同時(shí)提升球拍整體強(qiáng)度，避免球拍出現(xiàn)變形。近年來(lái)已有部分廠家在加入了納米二氧化硅粒子的環(huán)氧樹(shù)脂中對(duì)碳纖維或碳纖維布進(jìn)行預(yù)浸漬處理，得到了結(jié)構(gòu)更加均勻的單向碳纖維增強(qiáng)片材，利用該類(lèi)型片材加工而成的網(wǎng)球拍框?qū)崿F(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，獲得了更高的拍框強(qiáng)度和耐用性能。

3.3 滑雪板

冰雪運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)在我國(guó)流行時(shí)間尚短但群眾喜愛(ài)程度較高的運(yùn)動(dòng)，其中滑雪板是冰雪運(yùn)動(dòng)應(yīng)用最為廣泛的體育器材。滑雪板所使用的材質(zhì)優(yōu)劣、性能會(huì)影響人們的滑雪效果和人身安全。最初的滑雪板脫胎于雪橇，主要由木質(zhì)材料加工而成，但木質(zhì)材料在長(zhǎng)期低溫、濕潤(rùn)的環(huán)境下極容易被毀壞、發(fā)生形變；而后金屬材料逐漸取代了一部分木質(zhì)材料用于加工各類(lèi)型滑雪板，但金屬材料適應(yīng)性差，長(zhǎng)期滑雪運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致金屬材料腐蝕、磨損進(jìn)而影響使用。CFRP的出現(xiàn)很好地解決了傳統(tǒng)金屬、木質(zhì)材料重量大、可控性差、減振性能差等問(wèn)題，使用CFRP加工而成的滑雪板韌性強(qiáng)、質(zhì)量輕、彈性好，能夠?yàn)槭褂萌藛T提供較好的保護(hù)功能。隨著綜合材料使用頻率的提升，如今滑雪板結(jié)構(gòu)開(kāi)始以碳纖維復(fù)合材料板材為基礎(chǔ)，輔以高強(qiáng)鋁合金、塑料以及PUR泡沫等材料加工而成。據(jù)相關(guān)研究成果表明，該類(lèi)型滑雪板具有出色的扭曲和彎曲平衡性，人們使用過(guò)程中的滑行性與回轉(zhuǎn)性之間也達(dá)到了很高的匹配度。

4 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐熱性好以及優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能，在航空航天、醫(yī)學(xué)、電磁領(lǐng)域的應(yīng)用已較為廣泛。文章基于不同碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)其在體育器材裝備加工領(lǐng)域中的應(yīng)用工藝與性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，以撐桿跳、羽網(wǎng)球拍、滑雪板等為例，對(duì)CFRP體育器材的性能優(yōu)勢(shì)以及對(duì)該類(lèi)體育項(xiàng)目的影響進(jìn)行了總結(jié)。