碳纖維復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)運(yùn)動(dòng)器械的影響研究

陳盼盼

（西安醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710021）

碳纖維材料是一種碳含量超過90%的高強(qiáng)度高模量纖維材料，外形呈纖維狀、質(zhì)地柔軟，在與樹脂、金屬等其他材料進(jìn)行復(fù)合加工后可以實(shí)現(xiàn)固化，從而制備成不同性能和類型的復(fù)合材料[1]。例如，碳纖維材料與增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料按照不同的比例進(jìn)行復(fù)合加工，可以制備成不同價(jià)格、不同材料強(qiáng)度、不同比模量的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)在多領(lǐng)域、不同場(chǎng)景中的應(yīng)用。網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)能夠充分鍛煉參與人員的腿、臀、手臂等身體各部位，是一種絕佳的室內(nèi)外運(yùn)動(dòng)類型。隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)及網(wǎng)球拍制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，碳纖維等現(xiàn)代復(fù)合材料已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的木質(zhì)、金屬質(zhì)材料，成為中高端網(wǎng)球拍制備和生產(chǎn)領(lǐng)域所使用的主要材料。碳纖維網(wǎng)球拍質(zhì)輕、阻尼性好，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┝己玫木徴鹦阅?，在提升使用者?jìng)技水平的同時(shí)有效避免球拍擊球時(shí)的震動(dòng)對(duì)人體手腕等部位產(chǎn)生的影響。本文以碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)碳纖維網(wǎng)球拍的制備、材料研發(fā)等進(jìn)行綜述，旨在為網(wǎng)球領(lǐng)域、碳纖維材料領(lǐng)域發(fā)展提供借鑒。

1 碳纖維復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)特征分析

碳纖維材料力學(xué)性能較傳統(tǒng)的金屬、木材而言具有極為顯著的優(yōu)勢(shì)，其密度通常不到普通鋼材的1/4，而其復(fù)合材料如碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度又通常可以超過3500MPa，是普通鋼材的8倍左右，而抗拉彈性模量也遠(yuǎn)高于一般鋼材[2-4]。圖1所示為網(wǎng)球拍生產(chǎn)制備領(lǐng)域常用碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)與性能上的特征分析。

圖1 碳纖維復(fù)合材料特征分析Fig.1 Characteristic analysis of carbon fiber composites

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

碳纖維復(fù)合材料與其他復(fù)合材料類似，其結(jié)構(gòu)均具有典型的各向異性和分散相特征，即在相同類型的碳纖維復(fù)合材料制備而成的某種零部件中，沿纖維分布方向以及與纖維分布方向垂直方向在抗拉強(qiáng)度、拉伸模量等方面具有較大的差異，沿纖維分布方向各項(xiàng)力學(xué)性能均遠(yuǎn)超過纖維分布垂直方向。除力學(xué)性能外，碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)熱性能、熱熔、熱膨脹等方面也會(huì)因這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而表現(xiàn)出沿纖維分布方向以及與纖維分布方向垂直方向上的差異。例如，某型號(hào)碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在沿纖維分布方向上的熱膨脹系數(shù)為-0.1×10-6，而沿纖維分布垂直方向的熱膨脹系數(shù)卻為+35×10-6[5-6]。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)特征，碳纖維復(fù)合材料通常會(huì)根據(jù)具體的產(chǎn)品需求采用不同的纖維分布結(jié)構(gòu)，從而使制備所得材料具備最佳的綜合性能。

1.2 性能優(yōu)勢(shì)

碳纖維及其復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：①質(zhì)量輕，通常能夠保證密度處于1.5～2 g/cm區(qū)間內(nèi)，使碳纖維及其復(fù)合材料制備而成的結(jié)構(gòu)件等獲得同等結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)材料重量的1/4、鋁合金材料的1/2[4]；②力學(xué)性能強(qiáng)，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度約是普通鋼材的8倍左右，抗拉彈性模量約130～430 GPa，比強(qiáng)度可以達(dá)到2000MPa以上，約是普通鋼材的4～5倍，楊氏模量能夠分別達(dá)到一般玻璃纖維、凱芙拉纖維的3倍、2倍以上[4]；③抗沖擊性能強(qiáng)，碳纖維復(fù)合材料具有極高的模量，需要施加極大的外部沖擊力才能致其損壞；④阻尼性好，良好的阻尼性能夠?yàn)榫W(wǎng)球拍使用者提供良好的擊球手感，利用碳纖維復(fù)合材料制備而成的網(wǎng)球拍能夠?yàn)槭褂谜咛峁┝己玫膿羟蚴指泻瓦m當(dāng)反饋力度，不會(huì)因擊球力度過大而致運(yùn)動(dòng)員手腕或其他部位出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷。

2 碳纖維網(wǎng)球拍的設(shè)計(jì)選材與工藝分析

2.1 典型碳纖維網(wǎng)球結(jié)構(gòu)

圖2所示為國外某品牌WRT7392系列網(wǎng)球拍的典型結(jié)構(gòu)。該系列網(wǎng)球拍框?yàn)樘祭w維復(fù)合材料制備而成，框架整體采用了名為CARBON MAPPING的新型碳纖維復(fù)合材料重組工藝，使球拍在新彎矩范圍內(nèi)可以產(chǎn)生相應(yīng)的變形和回彈等效果，從而在降低運(yùn)動(dòng)員手腕處所受沖擊力的同時(shí)提供更長的擊球時(shí)間和更大的擊球力量；球拍的三角區(qū)采用STABLE SMART數(shù)字化設(shè)計(jì)仿真技術(shù)，在充分利用碳纖維材料結(jié)構(gòu)靈活、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)下，使球拍在能夠?yàn)槭褂谜咛峁┓€(wěn)定性和力量的同時(shí)不失靈活性；手柄部位使用橡膠復(fù)合材料制備而成，為使用者提供良好的握感和反饋，進(jìn)一步提升運(yùn)動(dòng)舒適性和運(yùn)動(dòng)防護(hù)功能。

圖2 WRT7392系列網(wǎng)球拍的典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical structure of WRT7392 series tennis racket

使用碳纖維復(fù)合材料制備而成的網(wǎng)球拍空拍重量通常能夠保持在280-340g之間，較一般鋁合金材質(zhì)球拍更輕且整體力學(xué)性能更好，能夠?yàn)槭褂谜咛峁└尤岷偷氖褂檬指?；拍體整體強(qiáng)度更高，能夠生產(chǎn)和制備出各種“異型框”或“異型結(jié)構(gòu)件”等。

2.2 碳纖維網(wǎng)球拍選材因素

2.2.1 成本因素

作為一種必須投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售的產(chǎn)品，碳纖維網(wǎng)球拍在進(jìn)行選材時(shí)必須充分考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。以當(dāng)前最為常見的碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料網(wǎng)球拍為例，球拍中的碳纖維質(zhì)量占比越高，則該球拍的成本越高、性能也越好。通常職業(yè)運(yùn)動(dòng)員所使用的碳纖維網(wǎng)球拍中碳纖維質(zhì)量占比約66%，環(huán)氧樹脂質(zhì)量占比約34%；業(yè)余愛好者所使用的球拍碳纖維質(zhì)量占比則會(huì)相應(yīng)降低，環(huán)氧樹脂質(zhì)量占比則會(huì)相應(yīng)提高，一般最為常見的碳纖維球拍中，碳纖維質(zhì)量占比均保持在38%～57%之間，能夠在性能與成本之間保持較好的平衡[7-9]。

2.2.2 個(gè)性化定制結(jié)構(gòu)

碳纖維材料的出現(xiàn)，為網(wǎng)球拍進(jìn)行更多的個(gè)性化設(shè)計(jì)提供了可能（圖3）。碳纖維復(fù)合材料成型工藝具有更大的靈活性，更容易實(shí)現(xiàn)各種異型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)球拍。以網(wǎng)球拍中異型結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)頻率最高的三角區(qū)（也被稱為拍喉等）、拍框?yàn)槔?。傳統(tǒng)的木質(zhì)材料或金屬材料在材料強(qiáng)度及重量等因素的限制下無法根據(jù)用戶的喜好進(jìn)行定制化制作，僅能按照固定的形狀進(jìn)行加工。而碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)，在保證網(wǎng)球拍高性能的前提下，能夠進(jìn)行多種外形、結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)，充分滿足了用戶對(duì)網(wǎng)球拍的個(gè)性化、定制化需求。

圖3 個(gè)性化碳纖維網(wǎng)球拍設(shè)計(jì)Fig.3 Personalized carbon fiber tennis racket design

3 碳纖維網(wǎng)球拍纖維材料制備

3.1 制備原則

網(wǎng)球拍使用的碳纖維材料在進(jìn)行制備時(shí)，除需充分考慮網(wǎng)球拍的基本性能、工藝特征外，還需要對(duì)網(wǎng)球拍應(yīng)用人群對(duì)球拍“磅數(shù)”的需求，這一要求直接決定了所用材料的韌性（如沖擊后壓縮強(qiáng)度或損傷阻抗等）以及使用環(huán)境因素等。在確定碳纖維材料的設(shè)計(jì)參數(shù)以后，通過實(shí)驗(yàn)確定所需各碳纖維結(jié)構(gòu)件的鋪設(shè)角度和鋪設(shè)厚度設(shè)計(jì)許用值，針對(duì)材料的沖擊后壓縮破壞應(yīng)變等值進(jìn)行試樣分析，然后確定該材料符合某一型號(hào)碳纖維網(wǎng)球拍性能要求以后方可開始進(jìn)行材料制備。

3.2 制備過程

碳纖維網(wǎng)球拍主要纖維材料制備流程如圖4所示。碳纖維網(wǎng)球拍纖維材料制備總共分為8個(gè)步驟：①按照模擬分析所得碳纖維與環(huán)氧樹脂質(zhì)量占比調(diào)配環(huán)氧樹脂溶液；②在編織機(jī)上將碳纖維束浸入環(huán)氧樹脂溶液；③按照既定碳纖維排列角度等將碳纖維束編織成布狀并將其附著于離型紙上；④按照一定的加工尺寸和角度進(jìn)行裁剪；⑤靜置于自然條件下2～3天完成風(fēng)干處理；⑥將風(fēng)干處理完成后的碳纖維布裁剪成規(guī)定尺寸的積層；⑦將尼龍風(fēng)管包裹于積層內(nèi)卷成條狀并在接頭處進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)；⑧將卷好的碳纖維原材料置于模具內(nèi)進(jìn)行熱壓爐加熱，約20～30 min以后取出并冷卻，即可得到網(wǎng)球拍各不同零部件初胚[10]。

圖4 典型碳纖維網(wǎng)球拍纖維材料制備流程Fig.4 Preparation process of typical carbon fiber tennis racket fiber materials

碳纖維網(wǎng)球拍纖維材料制備完成以后要經(jīng)過鉆穿線孔、研磨、涂裝、裝配，根據(jù)用戶不同的需求還可以附上拍線、配件、拍套等，完成包裝以后便可作為成品進(jìn)行出售。

4 結(jié)語

不同材質(zhì)的網(wǎng)球拍如碳纖維復(fù)合材料球拍、鋁合金材料球拍等具有不同的性能。網(wǎng)球拍制備使用的材料直接決定了球拍的質(zhì)量，如木質(zhì)或部分金屬材質(zhì)球拍由于材料本身阻尼性較差，在長期使用過程中對(duì)手腕處會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，容易造成使用人員運(yùn)動(dòng)損傷，主要表現(xiàn)為手腕疼痛、鼓包等。因此，選擇恰當(dāng)?shù)牟牧洗鎮(zhèn)鹘y(tǒng)金屬質(zhì)、木質(zhì)材料制備網(wǎng)球拍，成為當(dāng)前網(wǎng)球器械加工領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。