網(wǎng)球器械用復(fù)合材料的粘結(jié)性能研究

高利軍

(西安體育學(xué)院，陜西西安710068)

網(wǎng)球運(yùn)動是一種優(yōu)美而充滿競技性的體育運(yùn)動，素有“貴族運(yùn)動”之稱，近些年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速提升和人們物質(zhì)文化生活的不斷豐富，國內(nèi)喜愛網(wǎng)球的健身運(yùn)動者越來越多，這也給網(wǎng)球器械領(lǐng)域帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。然而，在網(wǎng)球器械用復(fù)合材料的加工和生產(chǎn)過程中，具有不同物理和化學(xué)性能的材料組成的復(fù)合材料的粘結(jié)性能一直是影響網(wǎng)球器械質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸[1-3]。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)膠接工藝通常會造成碳纖維/鋁等復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度偏低、膠接過程中產(chǎn)生溢膠等問題[4-5]，本文嘗試在網(wǎng)球器械用碳纖維/鋁復(fù)合材料膠接過程中施加超聲機(jī)械振動的方法，考察了超聲振動作用下膠接工藝參數(shù)對復(fù)合材料膠接性能的影響，結(jié)果可為高性能網(wǎng)球器械用復(fù)合材料的膠接工藝提供參考并具有一定的應(yīng)用價值。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基材為網(wǎng)球機(jī)械用碳纖維板（98mm×25mm× 2mm）和7075鋁合金板（98mm×25mm×1mm），設(shè)置膠接區(qū)域的膠層尺寸為25mm×25mm×0.8mm，在進(jìn)行膠接前對碳纖維和鋁板進(jìn)行200#砂紙打磨、清水和酒精清洗并吹干；所選擇的膠粘劑為滿足MIL-A-23941A標(biāo)準(zhǔn)的3M DP460膠粘劑。

1.2 試樣制備

采用四因素五水平的正交試驗(yàn)法對網(wǎng)球器械用復(fù)合材料的膠接工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過在膠接過程中施加超聲振動的方法改善膠接質(zhì)量，具體方案見表1，超聲振動工藝參數(shù)包括振動時間、振動壓力、振動位置和振幅。

表1 4因素5水平正交試驗(yàn)表Table 1 Four factors and five levels orthogonal test table

1.3 測試方法

采用美國MTS公司生產(chǎn)的MTS-810型液壓伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)對復(fù)合材料進(jìn)行室溫剪切強(qiáng)度測試，拉伸速率為5mm/min，結(jié)果取3根試樣的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2為網(wǎng)球器械用碳纖維/鋁復(fù)合材料四因素五水平的正交試驗(yàn)結(jié)果，考核指標(biāo)為膠接強(qiáng)度，表3中列出了正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

表3 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis results of orthogonal test

從正交試驗(yàn)結(jié)果來看，振動時間、振動壓力、振動位置和振幅都會對網(wǎng)球器械用碳纖維/鋁復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度產(chǎn)生影響，但是影響程度明顯不同。當(dāng)振動時間為7s、振動壓力0.07MPa、振動位置9mm和振幅25μm時，復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度為7.42MPa；當(dāng)振動時間為21s、振動壓力0.21MPa、振動位置45mm和振幅33μm時，復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度為10.48MPa。可見，不同膠接工藝參數(shù)對復(fù)合材料膠接強(qiáng)度的影響較大。

表3中R反映了振動時間、振動壓力、振動位置和振幅等工藝參數(shù)對膠接強(qiáng)度的影響大小，如果R值越大則表明對應(yīng)工藝參數(shù)對膠接強(qiáng)度的影響越大，反之則越小[6-7]。正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果表明，4種工藝參數(shù)對膠接強(qiáng)度的影響從大至小的順序?yàn)椋赫駝訒r間>振幅>振動壓力>振動位置。從正交極差分析結(jié)果優(yōu)化得到的網(wǎng)球器械用碳纖維復(fù)合材料的超聲振動膠接工藝參數(shù)為：振動時間0.21s、振動壓力0.35MPa、振動位置27mm、振幅57μm，此時碳纖維/鋁復(fù)合材料具有較高的膠接強(qiáng)度。

表4為無振動的對照組和正交試驗(yàn)優(yōu)化組的膠接強(qiáng)度，以進(jìn)一步對比分析超聲振動以及正交試驗(yàn)優(yōu)化后碳纖維/鋁復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度。可見，無振動對照組的膠接強(qiáng)度平均值為7.10MPa，而經(jīng)過正交試驗(yàn)優(yōu)化后復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度平均值達(dá)到10.86MPa，相較于無振動對照組提高了52.96%?？梢?，經(jīng)過正交優(yōu)化后的超聲振動膠接工藝可以極大提升網(wǎng)球器械用碳纖維/鋁復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度。

表4 無振動對照組和正交試驗(yàn)優(yōu)化組的膠接強(qiáng)度對比分析結(jié)果Table 4 Comparative analysis results of bonding strength between non vibration control group and orthogonal test optimization group

分別對無振動對照組和正交試驗(yàn)優(yōu)化組試樣破壞后的膠層截面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。對比分析可見，無振動對照組試樣的膠層截面處存在明顯的縫隙，而經(jīng)過正交優(yōu)化后試驗(yàn)組試樣的膠層截面處縫隙很小，這主要是因?yàn)樵诔曊駝幼饔孟?，膠接過程中的膠粘劑可以更好地在碳纖維/鋁復(fù)合材料之間流動，從而填充縫隙、起到更好的潤濕效果[8-9]，相應(yīng)的膠接接頭的剪切強(qiáng)度得到提升，且從表4的膠接強(qiáng)度測試結(jié)果可知，正交試驗(yàn)優(yōu)化組試樣的膠接強(qiáng)度分散性較小，膠接性能較為穩(wěn)定。

圖1 網(wǎng)球器械用碳纖維/鋁復(fù)合材料的膠層截面形貌Fig.1 Cross section morphology of carbon fiber / aluminum composite for tennis instruments

3 結(jié)論

（1）當(dāng)振動時間為7s、振動壓力0.07MPa、振動位置9mm和振幅25μm時，復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度為7.42MPa；當(dāng)振動時間為21s、振動壓力0.21MPa、振動位置45mm和振幅33μm時，復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度為10.48MPa。

（2）從正交極差分析結(jié)果優(yōu)化得到的網(wǎng)球器械用碳纖維復(fù)合材料的超聲振動膠接工藝參數(shù)為：振動時間0.21s、振動壓力0.35MPa、振動位置27mm、振幅57μm，此時碳纖維/鋁復(fù)合材料具有較高的膠接強(qiáng)度。

（3）無振動對照組的膠接強(qiáng)度平均值為7.10MPa，而經(jīng)過正交試驗(yàn)優(yōu)化后復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度平均值達(dá)到10.86MPa，相較于無振動對照組提高了52.96%。