體育器材中石墨烯鎂基復(fù)合纖維的應(yīng)用研究

張科

摘 要：隨著競技體育的發(fā)展以及人們?nèi)找嬷匾曮w育鍛煉，無論是競技體育的賽事還是大眾體育的健身，對體育運(yùn)動器材各方面性能的要求都越來越高。為解決目前體育運(yùn)動器材的力學(xué)性能不足、耐磨耐腐蝕性不高等問題，嘗試引入石墨烯作為增強(qiáng)體，利用其抗拉伸強(qiáng)度高、耐磨損性能好、耐腐蝕性高的優(yōu)異特性對體育器材進(jìn)行了改良試驗(yàn)，并與市面大量商用的AZ31鎂合金材料進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯鎂基復(fù)合材料制備的體育器材試樣在力學(xué)性能、耐磨性能與耐腐蝕性能方面均有大幅提高，可以作為制作體育器材的更優(yōu)質(zhì)材料。

關(guān)鍵詞：體育器材;石墨烯鎂基;AZ31鎂合金;纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

中圖分類號：TS952 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0067-03

Research on the Application of Graphene Magnesium Matrix Composite Fiber in Sports Equipment

Zhang Ke

（Xi an Peihua University， Xi an 710125， China）

Abstract：With the development of competitive sports and peoples increasing attention to physical exercise， whether the competitive sports events or mass sports health， the performance of all aspects of sports equipment requirements are more and higher. In order to solve the current mechanical performance of sports equipment is insufficient， low abrasion and corrosion resistance， try to introduce graphene as an enhancer， using its high tensile resistance， good wear resistance and high corrosion resistances to modify sports equipment and compared with the most commercially available AZ31 magnesium alloy materials. The experimental results show that the sports equipment samples prepared by graphene magnesium-based composites are greatly improved in mechanical performance， wear resistance and corrosion resistance， which can be used as better quality materials to make sports equipment.

Key words：sports equipment; graphene magnesium-based; AZ31 magnesium alloy; fiber-reinforced composite

0 引言

體育器材是體育活動中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)備，對于競技體育來說，器材的質(zhì)量甚至?xí)绊懕荣惖慕Y(jié)果，提高體育成績，甚至在關(guān)鍵時刻能保護(hù)運(yùn)動員避免受傷。對于大眾體育來說，器材的質(zhì)量也直接關(guān)系到體育運(yùn)動的效果。如何尋求應(yīng)用功能與健康度、舒適度的平衡是體育器材生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。目前行業(yè)內(nèi)比較青睞的是鎂合金材料，它密度輕、強(qiáng)度高、減震降噪效果較好，但是鎂合金力學(xué)性能不高，難以批量化商業(yè)生產(chǎn)，需要通過添加增強(qiáng)體進(jìn)行改良。本研究選用石墨烯材作為增強(qiáng)體，進(jìn)行石墨烯鎂基復(fù)合材料制備與測試，以期為新型體育器材的材料探索提供參考。

1 總體概述

1.1 體育器材生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求

體育器材不僅僅是體育運(yùn)動的載體，也是人們進(jìn)行體育活動的基礎(chǔ)輔助工具。人們越來越注重身體健康，有意識的增強(qiáng)體育鍛煉，但是體育器材發(fā)展過程中還存在資源欠缺、器材更新迭代速度慢等問題。因此，為了提升人們參與的積極性以及最終運(yùn)動效果，還需注重體育器材的深層次設(shè)計(jì)，做到：①結(jié)合復(fù)合材料的發(fā)展情況尋求應(yīng)用思路，盡可能的改善復(fù)合材料性能，以此提高器材的健康度、舒適度以及應(yīng)用性[1]。②結(jié)合鑄造生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，提升體育器材的精確度。③結(jié)合時代特點(diǎn)，不管是技術(shù)還是理念都需要有創(chuàng)新，在保證基礎(chǔ)需求的前提下進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 常見纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

目前常見的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，大類主要包括：①玻璃纖維：吸濕性小、阻燃性好、耐熱、耐老化、尺寸穩(wěn)定;②碳纖維：強(qiáng)度好、剛度高、耐熱，但與樹脂粘接性差;③硼纖維：高強(qiáng)高模量纖維，對增強(qiáng)樹脂和金屬的粘接性有很好效果;④碳化硅纖維：模量高、耐熱、拉伸強(qiáng)度大、抗壓、耐磨;⑤芳香族聚酰胺纖維：密度低、耐熱、粘接性好、比模量高;⑥聚乙烯纖維：密度低、強(qiáng)度好、化學(xué)穩(wěn)定性高、粘接性差;⑦混雜纖維：多種纖維復(fù)合材料混雜，具備多種新增性能;⑧石墨烯纖維：石墨烯是由碳原子組成的二維晶體，它輕、堅(jiān)固、堅(jiān)韌，是納米材料中最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性最好的新型材料。石墨烯纖維具有非常高的拉伸強(qiáng)度、耐磨損性、耐腐蝕性。

1.3 體育器材中引入石墨烯鎂基復(fù)合材料的優(yōu)勢

與市面上其他材料相比，使用石墨烯鎂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的體育器材具有6點(diǎn)優(yōu)勢：①整體質(zhì)量輕：體育運(yùn)動是一種力學(xué)運(yùn)動，運(yùn)動器材的輕便可以提升運(yùn)動效果[2];②單位質(zhì)量強(qiáng)度高：單位質(zhì)量強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的7～12倍，適合制作杠鈴等高強(qiáng)度的體育器材;③抗疲勞強(qiáng)度大：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以延長體育器材使用壽命;④破損安全性好：受到拉力時應(yīng)變具有各向異性，局部斷裂不會引起連鎖反應(yīng);⑤耐磨損性能高：基體具有粘彈性，在受到震動時可以起到緩沖作用，具有良好的阻尼比，可以保證運(yùn)動效果。;⑥成型自由度大：各向異性決定了形態(tài)相對自由，成型自由度增大。

2 石墨烯鎂基纖維在體育器材中的應(yīng)用

目前石墨烯鎂基纖維在體育器材中的應(yīng)用如表1所示。本文針對其中的“高爾夫”球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、自行車框架進(jìn)行著重分析。

2.1 “高爾夫”球桿

隨著人們生活水平提高，“高爾夫”不再僅僅是貴族運(yùn)動，逐漸在人們?nèi)粘Ｉ钪辛餍衅饋?。在運(yùn)功過程中，球桿質(zhì)量、硬度以及平衡是影響手感和距離的關(guān)鍵因素。球桿由手柄、桿頭以及桿3部分組成，最初的是鋼桿，后續(xù)出現(xiàn)了碳纖維桿，碳纖維球桿可以使質(zhì)量縮減10%-40%。球桿質(zhì)量減輕有利于提高揮桿速度，而且由于碳纖維復(fù)合材料的阻尼性高，可以延長擊球時間，從而將球打到更遠(yuǎn)的距離。因此，對于球手來說，球桿的質(zhì)量是否輕便是非常重要的[3]。而利用石墨烯-碳纖維復(fù)合材料可以在相同質(zhì)量的基礎(chǔ)上一方面提高球桿強(qiáng)度，延長使用時間;另一方面提高阻尼性，提高擊球質(zhì)量。制作石墨烯纖維的“高爾夫”球桿時主要步驟為：①濃硫酸、硝酸處理石墨烯;②硅烷偶聯(lián)劑改性碳纖維;③加入石墨碳纖維上漿的樹脂基體;④利用預(yù)浸料卷繞工藝制成球桿。

2.2 球拍

網(wǎng)球拍的發(fā)展經(jīng)歷了木制、金屬、后金屬三個時代，在材質(zhì)、性能、外形及顏色方面都在不斷變化。主要由手柄、框架以及弦線構(gòu)成，大體可以分為木球拍、金屬球拍、碳纖維球拍、石墨球拍等。在運(yùn)動過程中，球拍就像士兵的武器一樣重要，雖然不能從本質(zhì)上徹底改變運(yùn)動員，但對于改善境況、搶奪主動權(quán)、占據(jù)有利形勢方面有很大作用，甚至對比賽結(jié)果會造成直接影響。網(wǎng)球拍的發(fā)展趨勢是硬度高、質(zhì)量輕，因此設(shè)計(jì)過程中也是著重關(guān)注力量、可控性以及舒適程度。與普通碳纖維相比，石墨烯碳纖維在同等質(zhì)量時具有更高的強(qiáng)度與彈性模量，提升球拍剛度的同時也可提升球拍的強(qiáng)度，其更適合制造網(wǎng)球拍。

羽毛球拍網(wǎng)厚度對擊球性能、耐久性以及平衡性有著重要影響。一般情況下，小于0.7 mm的細(xì)弦手感和性能更好，大于0.7 mm的耐久性和使用壽命更長。網(wǎng)線性能主要包括力量、耐磨性、吸震性、擊球感以及可控制性，這些通常很難全面做到最好，因此需要尋求滿足客戶習(xí)慣的平衡。使用石墨烯纖維復(fù)合材料可以在同等質(zhì)量前提下提高網(wǎng)線的穿線磅數(shù)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時尼龍纖維的拉伸強(qiáng)度即可提高一倍。綜合成本、質(zhì)量、磅數(shù)等要求，石墨烯纖維可以綜合提高羽毛球拍的網(wǎng)線性能[4]。

2.3 自行車

自行車不僅是交通工具，更是人們健身鍛煉的輔助工具。隨著國內(nèi)外公司對碳纖維山地車的研究創(chuàng)新，推出了各類碳纖維框架，這不僅美觀還提升了剛度及阻尼性。但是碳纖維框架存在抗沖擊性弱、接頭強(qiáng)度弱的問題。石墨烯碳纖維復(fù)合材料可以提升抗沖擊性，它與環(huán)氧樹脂-碳纖維材料相比，拉伸強(qiáng)度提高10%，抗沖擊性提高10%，對自行車及運(yùn)動員的保護(hù)作用將極大改善。

3 石墨烯鎂基復(fù)合材料體育器材樣品制備

（1）試驗(yàn)材料。本文選擇工業(yè)級Mg、Zn、Mn、Al粉、石墨烯、適量無水酒精對體育器材中的石墨烯鎂基復(fù)合材料進(jìn)行制備，按比例稱重之后加入少量無水酒精促進(jìn)石墨烯分散，將其進(jìn)行超聲處理后，在壓力2 200 N/cm2條件下壓制3 min，之后在溫度500℃條件下真空處理4 h，最后進(jìn)行擠壓以及固溶處理得到石墨烯鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)試樣，試樣成分如表2所示。

由表2可知，復(fù)合材料由石墨烯和Mg等組成，通過顯微觀察無明顯分散，無團(tuán)聚現(xiàn)象。

（2）制備工藝。石墨烯鎂基復(fù)合材料體育器材試樣制備工藝流程如圖1所示。

4 力學(xué)性能優(yōu)化效果

4.1 測試環(huán)境

設(shè)備：CMT4000型電子萬能試驗(yàn)機(jī)、JSM6510掃描電鏡;對比材料：AZ31鎂合金;溫度：-20、20、300℃。

4.2 測試結(jié)論

不管在哪一種溫度下，石墨烯鎂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與對比材料相比均有大幅提升[5]。石墨烯鎂基復(fù)合材料與AZ31鎂合金拉伸強(qiáng)度對比，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，無論是在-20℃，還是20、300℃溫度環(huán)境下，石墨烯鎂基復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度比AZ31鎂合金材料都有大幅提升。在溫度-20℃時提升了411%，20℃時提升了149%，300℃時提升了526%。由此可以說明：石墨烯鎂基復(fù)合材料擁有更好的力學(xué)性能。

5 耐腐蝕性能優(yōu)化效果

5.1 測試環(huán)境

對比材料：AZ31鎂合金;溶液：質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaCl溶液;掃描速度：0.002 mm/s。

5.2 測試結(jié)論

石墨烯鎂基復(fù)合材料的腐蝕電位從-0.923 V正移至-0.639 V，材料的腐蝕電位越正說明耐腐蝕性越好。由此可以說明，石墨烯鎂基復(fù)合材料制備的體育器材試樣具有更好的耐腐蝕性。

6 耐磨損性能優(yōu)化效果

6.1 測試環(huán)境

設(shè)備：MMUD-5B型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī);對比材料：AZ31鎂合金;溫度：20、150、300℃;磨損載荷：100 N;磨輪轉(zhuǎn)速：250 r/min;磨損時間：10 min;相對滑動速度：90 mm/min。

6.2 測試結(jié)論

不管在哪一種溫度下，石墨烯鎂基復(fù)合材料制作的體育器材試樣的磨損體積與對比材料相比都更小一些，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，磨損體積越小說明耐磨性能越高。由此可以說明，石墨烯鎂基復(fù)合材料具有更好的耐磨損性能[6]。

7 結(jié)語

本文從體育器材生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求及常見纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用介紹出發(fā)，列舉了石墨烯鎂基材料的優(yōu)勢以及在體育器材中的實(shí)際應(yīng)用，并與AZ31鎂合金材料做了性能比較，證明石墨烯鎂基復(fù)合材料可以作為體育器材生產(chǎn)的更優(yōu)質(zhì)材料;但在經(jīng)濟(jì)成本、未來發(fā)展趨勢方面的分析還有所欠缺，需要進(jìn)一步進(jìn)行例證。

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