碳纖維復(fù)合材料的制備及在體育器材中的應(yīng)用

謝 佳，劉 冬，朱成敏

(1 新疆工程學(xué)院體育部,新疆烏魯木齊 830000；2 昭通學(xué)院體育學(xué)院,云南昭通 657000)

碳纖維是一類無(wú)機(jī)高分子纖維材料,兼具了碳材料和塑料纖維的固有本質(zhì)特性[1]。碳纖維復(fù)合材料通過(guò)碳纖維和樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合構(gòu)成,具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等碳素材料的特性[2],且具有顯著的柔軟可加工型[3],不僅用于航空航天、醫(yī)療化工、汽車紡織等領(lǐng)域中,也成為當(dāng)今競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)設(shè)備和器材的常用材料[4-5],很大程度上提升了運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)和比賽成績(jī)?；诖?本文以碳纖維復(fù)合材料為主要對(duì)象,對(duì)材料的應(yīng)用性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行比較,并結(jié)合碳纖維復(fù)合材料在各類體育器材中的具體應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例分析。

1 碳纖維復(fù)合材料性能

1.1 材料微觀結(jié)構(gòu)

碳纖維復(fù)合材材料,通過(guò)以碳纖維為分散相,以塑料作為連續(xù)相構(gòu)成高分子纖維物[6]。在碳纖維復(fù)合材料中,塑料為基本結(jié)構(gòu),起到結(jié)構(gòu)的支撐作用,而碳纖維分散在塑料中,起到連接作用,圖1 為典型的CCF300/5405 復(fù)合材料結(jié)構(gòu),可以看出,CCF300 材料和5405 材料間彼此并不接觸,而CCF300 分散在塑料基體中。因此,碳纖維復(fù)合材料具備了較高的力學(xué)性能、加工成型性能、破損安全性等。

圖1 碳纖維增強(qiáng)塑料的微觀結(jié)構(gòu)Fig .1 Microstructure of carbon fiber reinforced plastics

1.2 良好的力學(xué)性能

碳纖維復(fù)合材料中碳纖維為增強(qiáng)相,塑料作為基體相將碳纖維連續(xù)固定在一起。分散的碳纖維作為受力點(diǎn)能夠承受應(yīng)力的作用,而起連接作用的塑料則完成應(yīng)力的傳遞[7]。通過(guò)二元相的協(xié)同作用,碳纖維復(fù)合材料具備了碳纖維和塑料的雙重特性,在降低了材料自重的同時(shí),提高了力學(xué)性能,這種質(zhì)輕強(qiáng)高的性質(zhì)被應(yīng)用于體育器材原材料選擇上。表1 給出了傳統(tǒng)金屬材料與CCF300/5405 碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能比較,可以看出,碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)極為顯著。

表1 不同材料性能參數(shù)比較Table 1 Comparison of performance parameters of different materials

1.3 破損安全性

碳纖維復(fù)合材料在基體作用下沿著纖維方向受到拉應(yīng)力時(shí),各纖維應(yīng)變保持一致。由于碳纖維主要承擔(dān)應(yīng)力作用,塑料基體傳遞應(yīng)力,只有在斷口處的纖維才失去了功能性,大部分纖維仍然在正常使用,即個(gè)別纖維的斷裂并不會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)[8],整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體還是處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),因此,碳纖維材料具備了很強(qiáng)的破壞安全性。

1.4 結(jié)構(gòu)加工成型性

碳纖維是一類長(zhǎng)條狀的一維材料,增加了設(shè)計(jì)自由度,如圖2 所示。纖維材料的受力情況由碳纖維的排列方向決定,纖維排列方向和方式的改變能在局部或整體提升某一方向的耐受力狀態(tài)[9]。在體育器械設(shè)計(jì)方面,可根據(jù)使用者年齡、技能水平等情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),最大限度提升使用者體驗(yàn)感。碳纖維復(fù)合材料成型方式也多種多樣,如運(yùn)用收縮成型、噴射成型、層壓成型的方式制備性能良好,形狀各異的體育器材制品。

圖2 長(zhǎng)條狀碳纖維材料Fig.2 Long strips of carbon fiber material

碳纖維復(fù)合材料除了有優(yōu)異的力學(xué)性能、加工成型性能、破損安全性能外,還具有良好的尺寸穩(wěn)定性、抗疲勞性、較長(zhǎng)的使用壽命特性,作為體育器材原材料,能夠極大程度提升器材綜合性能。

2 碳纖維復(fù)合材料的制造工藝

2.1 制備方式

利用碳纖維復(fù)合材料制造體驗(yàn)器材的制備方式包括纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM 成型等[10-11]。碳纖維復(fù)合材料在制造體育器材或防護(hù)用具時(shí),可根據(jù)器材的使用條件、使用項(xiàng)目不同進(jìn)行加工成型,表2 給出了幾種典型加工成型方式的幾種典型體育器材制造。

表2 體育器材加工成型方式Table 2 Forming of sports equipment

2.2 纏繞成型

纏繞成型是在專業(yè)的纏繞機(jī)上,將預(yù)浸料坯纏繞在轉(zhuǎn)動(dòng)芯模,經(jīng)固化、除模工藝得到碳纖維復(fù)合材料制品。纏繞成型一般用于圓柱體、球體等簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)體以及非旋轉(zhuǎn)體部件的制造質(zhì)量輕的制品。纏繞成型技術(shù)可機(jī)械化生成,有效提高了生成效率,降低了勞動(dòng)成本,但制品固化要去芯模處理,難以適用于釣魚竿、高爾夫球桿類型的表面凹凸制品。

2.3 擠拉成型

擠拉成型用于纖維復(fù)合材料的連續(xù)生成。纖維束或帶狀物在外力作用下經(jīng)浸膠、擠壓、加熱固化、切割工藝制作具有特點(diǎn)形狀和長(zhǎng)度的線形制品。拉擠過(guò)程中借助一定截面形狀的成型模具將浸漬的連續(xù)纖維注入模腔固化成型,或在模腔內(nèi)凝膠,在機(jī)械拉力下引拔出型材制品。制備制品時(shí),增強(qiáng)纖維沿軸向平行排列,提升復(fù)合材料的強(qiáng)度。拉伸制品強(qiáng)度、質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì),為不同類型體育設(shè)施的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

2.4 RTM 成型

RTM 成型技術(shù)是將纖維或預(yù)成胚置于密閉模腔內(nèi),將樹脂注入模腔浸透預(yù)成型胚,經(jīng)過(guò)固化、脫模成型。該技術(shù)適用于制造質(zhì)量較高、纖維含量高、孔隙率低的復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件,由于制模過(guò)程中無(wú)需脫衣樹脂,能保持制品表面的光潔度,同時(shí),產(chǎn)品的還早周期短,可節(jié)約成本?？赏ㄟ^(guò)CAD 技術(shù)進(jìn)行模具產(chǎn)品設(shè)計(jì),成型構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)局部增強(qiáng),工藝成型過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)物質(zhì)較少,對(duì)環(huán)境破壞較低,因此,RTM 技術(shù)一般用于制作大批量的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件,如自行車、皮劃艇等。

2.5 模壓成型

模壓成型是在封閉模腔內(nèi),通過(guò)加熱和壓力固化獲得成型制品。模壓成型增強(qiáng)材料主要為短切纖維、連續(xù)纖維物,該方式成型效率低、制作精度高、成型表面光潔,適用于高精度和重復(fù)性高的體育器材制造。在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品時(shí),模壓成型不需要進(jìn)行車、刨加工,能實(shí)現(xiàn)一次成型,減少了對(duì)制品的損壞,因此產(chǎn)品具有良好的外觀和可重復(fù)性,但該技術(shù)對(duì)模具設(shè)計(jì)提出了更高的要求,且對(duì)設(shè)備具有較高的要求。

3 應(yīng)用實(shí)例

競(jìng)技體育中,體育器材直接影響到運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技成績(jī)。良好的人體工學(xué)特性,優(yōu)異的穩(wěn)定性、彈塑性,能進(jìn)一步激發(fā)運(yùn)動(dòng)員潛力,提升競(jìng)技狀態(tài)。休閑體育中,性能和質(zhì)量良好的體育器材能夠讓人去主動(dòng)參與日常體育訓(xùn)練,強(qiáng)健體魄。當(dāng)下各類生產(chǎn)企業(yè)從原材料入手來(lái)提升體育器材的性能,如利用碳纖維制作輕便的自行車,制作彈性優(yōu)異的網(wǎng)球拍、羽毛球拍,做做高強(qiáng)度的滑冰鞋等。

3.1 球拍類體育用品

球拍類體育器材包括常見的羽毛球、網(wǎng)球等。球拍分為拍柄和拍面兩部分。拍柄為手持端,為避免劇烈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出汗發(fā)生脫拍,要求拍柄有一定摩擦力。拍面作為擊球接觸位置,控制球運(yùn)行軌跡,因此要求牌面的延伸性、減震性和抗沖擊性均能達(dá)到一定要求。擊球過(guò)程中,球與拍面接觸,形成一定震動(dòng),降低這種沖擊震動(dòng)將有助于運(yùn)動(dòng)員采取根合適的角度和力度擊球。碳纖維復(fù)合材料制備的球拍具有優(yōu)良的抗震性,在保證擊球穩(wěn)定性同時(shí)減少了運(yùn)動(dòng)員的不適感,如采用纏繞成型方式加工成的網(wǎng)球片,球拍彈性大幅上升,擊球面積相較于木質(zhì)球拍提高了1.5 倍,大幅提高了擊球的準(zhǔn)確率和出球初始速度。

3.2 桿、棒類體育器材

常見的桿、棒類體育器材包括釣魚竿、高爾夫球棒、運(yùn)動(dòng)撐桿等。桿、棒類體育器材要求材料有優(yōu)異的彈性。如運(yùn)動(dòng)撐桿,需要在承重狀態(tài)下迅速回彈,將運(yùn)動(dòng)員帶至相對(duì)高度。而采用木質(zhì)撐桿,質(zhì)量和彈性均較差,限制了撐桿跳高成績(jī)。采用碳纖維復(fù)合材料纏繞成型工藝制造的撐桿具備了很高的彈性模量,能將運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性形變能和重力勢(shì)能,大幅提升跳高成績(jī)。如當(dāng)前的撐桿記錄最高能達(dá)到6.16m,與碳纖維復(fù)合材料的改良是息息相關(guān)的。釣魚竿要求材料質(zhì)輕且拉伸強(qiáng)度高,且能防止導(dǎo)電?；谧⑺艹尚凸に囍圃斓奶祭w維釣魚竿完全滿足了釣魚竿的性能要求。而采用纏繞成型工藝制造的高爾夫球棒同樣具備了高彈高強(qiáng)高阻尼特性,有效提升了擊球接觸時(shí)間和擊球距離。

3.3 板類體育器材

板類體育器材包括常見乒乓球拍、沖浪板、帆船板等,該類體育器材要求有較高的減震特性。如對(duì)于滑雪板,不僅需要足夠的強(qiáng)度來(lái)承受運(yùn)動(dòng)員的體重,同時(shí),也要足夠的穩(wěn)定性和減震性來(lái)降低運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)向和振動(dòng)特性。采用碳纖維復(fù)合材料、芳綸-碳纖維混合制備夾心結(jié)構(gòu)滑雪板,具備良好的耐摩擦耐腐蝕性,能極大程度節(jié)省運(yùn)動(dòng)員的體力。對(duì)于帆船和沖浪等水上運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)員追求競(jìng)技速度,要求帆船板質(zhì)輕、耐腐蝕,碳纖維復(fù)合材料質(zhì)輕、耐腐蝕的特性,與帆船等海上運(yùn)動(dòng)具有極高的匹配性。

此外,對(duì)于登山運(yùn)動(dòng)、自行車競(jìng)技等體育器材,碳纖維復(fù)合材料也體現(xiàn)了材料的優(yōu)勢(shì)。采用碳纖維復(fù)合材料制備的登山繩索具有很高的強(qiáng)度和耐磨性,而碳纖維復(fù)合材料的自行車的剛性和減速性得到顯著提升,極大程度提升了運(yùn)動(dòng)會(huì)從事競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的安全性。因此質(zhì)輕成為運(yùn)動(dòng)用品的基本要求,碳纖維和塑料作為一類低密度材料,也是碳纖維復(fù)合材料在體育器材得到廣泛應(yīng)用的原因之一。

4 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料以碳纖維為增強(qiáng)相,以塑性材料為連續(xù)基體相,是一種性能優(yōu)異的復(fù)合材料。體育器材加工制造中采用碳纖維復(fù)合材料,通過(guò)利用其質(zhì)量輕、力學(xué)性能好、設(shè)計(jì)自由度大、破損安全性高的優(yōu)勢(shì),在撐桿、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等體育器材領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)不同體驗(yàn)項(xiàng)目,調(diào)節(jié)碳纖維排列方向,進(jìn)行原材料的性能設(shè)計(jì),滿足不同場(chǎng)合。實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)不同的體育項(xiàng)目,采用合適的成型功能,能夠獲得高性能的體育器材,促進(jìn)體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展。