碳纖維復合材料體育器材裝備工藝優(yōu)化與性能

楊磊 韓玲

摘 要：碳纖維復合材料因其良好的性能被裝備在更多的體育器材中。針對碳纖維復合材料作為體育器材重要的材料，對其進行了概述，并對典型的加工方法進行了工藝優(yōu)化;還就碳纖維復合材料體育器材性能對體育運動的影響進行了應用分析，充分的了解了碳纖維復合材料的性能表現(xiàn)，為碳纖維復合材料的研究提供借鑒。

關鍵詞：碳纖維復合材料;體育器材;工藝優(yōu)化;性能分析

中圖分類號：TS952?????? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）03-0040-04

Carbon fiber composite material sports equipment

technology optimization and performance

YANG Lei， HAN Ling

（Xian Medical College， Xian 710021， China）

Abstract：As an important material for sports equipment， carbon fiber composite materials are equipped in more sports equipment due to their good performance. This article first summarizes carbon fiber composite materials， optimizes typical processing methods， and analyzes the impact of carbon fiber composite sports equipment performance on sports， and conducts practical application analysis to fully understand the performance of carbon fiber composite materials and to provide a reference for the research of carbon fiber composite materials.

Key words：carbon fiber composite materials; sports equipment; process optimization; performance analysis

我國的體育事業(yè)在近些年來取得的成績有目共睹，體育事業(yè)的發(fā)展也推動了國民經(jīng)濟的發(fā)展。但是隨著國民對體育用品需求的提高，碳纖維復合材料在改善和優(yōu)化體育器材裝備性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。碳纖維復合材料裝備在體育運動領域，既能夠幫助專業(yè)運動員提升自我，又可以使國民在使用體育器材時，獲得更加舒適和安全的運動體驗。本文也將對碳纖維材料進行研究，并對碳纖維復合材料裝備在體育器材上的工藝與性能進行分析。

1 碳纖維復合材料概述

1.1 碳纖維復合材料

碳纖維復合材料是一類碳纖維通過與其他物質(zhì)進行復合加工而成的新型材料。根據(jù)設計需要碳纖維會與樹脂、金屬、陶瓷等物質(zhì)進行復合加工，來替代其他材質(zhì)來改良產(chǎn)品的性能。碳纖維材料一般具有質(zhì)量輕、耐高溫、形變穩(wěn)定、綠色環(huán)保、使用安全等特點，被廣泛的應用在航天、醫(yī)療、交通工具、體育器材等領域當中。

1.2 碳纖維復合材料微觀結(jié)構(gòu)

通過設備可以看到碳纖維復合材料中碳纖維是分散連續(xù)的情況，這也是它在復合材料中起到連接其他材料作為橋梁作用的原因。

1.3 碳纖維復合材料性能及性能優(yōu)勢

碳纖維復合材料是由碳纖維與何種基體復合加工而成，因此基體的性質(zhì)決定了合成材料的性能。

1.3.1 力學性能表現(xiàn)

通過碳纖維與其他基體的復合加工，雖使碳纖維復合材料的整體密度降低，但提升了材料的性能。下面我們將體育器材中要求質(zhì)量較輕，但強度要求較高的原材料提取分析，通過不同材料性能的參數(shù)來分析碳纖維復合材料的性能優(yōu)勢。不同材料的性能參數(shù)對比如表1所示。

1.3.2 減震性能表現(xiàn)

從碳纖維復合材料的結(jié)構(gòu)剖析屬于長鏈結(jié)構(gòu)，而且集體之間纖維之間就有裂紋，這些結(jié)構(gòu)特點使碳纖維復合材料遇到外力時，材料纖維互相作用產(chǎn)生摩擦熱量，并抵消了外力作用，因此具備良好的粘性、彈性和減震性能[1]。

1.3.3 改變碳纖維結(jié)構(gòu)提高性能

通過研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維的排列方向影響著復合材料的受力大小，若想實現(xiàn)某一受力方向受力加強，可以將碳纖維的排列方向向受力方向進行排列;如果想要復合材料的每個方向都具有良好的力學性能，可以通過碳纖維編制外的方式進行加強;還可以通過控制碳纖維的含量來改變復合材料的性能。除了以上性能表現(xiàn)外，碳纖維復合材料還具有穩(wěn)定性高、環(huán)保等性能。

1.4 碳纖維復合材料運用在體育器材上的優(yōu)勢分析

體育項目種類眾多，其中有很多需要具備良好的力學性能，碳纖維復合材料通過氧化法和等離子法處理后，改善了材料粘接性差的問題，替代其他材料應用在自行車和賽車領域。碳纖維復合材料通過添加其他材料并與其符合所產(chǎn)生良好的性能。另外，添加KH550/NdFeB可以改善金屬材料在加工過程中出現(xiàn)難加工，又脆又硬等問題;添加多巴胺改性的碳納米材料和環(huán)氧樹脂，來改善器材的外貌和耐磨性能。這些碳纖維復合材料因其良好的性能，被廣泛的應用在體育項目中。

1.5 碳纖維復合材料在體育事業(yè)中的的發(fā)展趨勢

隨著碳纖維復合材料在體育器材中的廣泛應用，科研人員和相關企業(yè)加大了對碳纖維復合材料的深入研究，我國體育器材碳纖維化的發(fā)展也將更加快速。對于未來的碳纖維復合材料之路來說，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高性能，降低生產(chǎn)加工成本，提高原材料使用效率和使用價值，減低環(huán)境的污染將是未來的發(fā)展趨勢。

2 碳纖維復合材料體育器材裝備工藝優(yōu)化

碳纖維復合材料的加工方法，在通常情況下可以很好地進行加工，但是對于體育運動事業(yè)提出的更高需求，還需要進一步的優(yōu)化加工方法，實現(xiàn)材料的高利用率，解決典型加工方法容易產(chǎn)生的問題。

2.1 碳纖維復合材料典型加工方法

體育器材種類繁多，需要具備的性能也是不盡相同，因此碳纖維復合材料的加工方法，是依據(jù)體育器材的種類、型號和使用群體來決定的。相同的體育器材，因為加工工藝的不同所呈現(xiàn)的性能也是不同的。依照體育器材對性能的需求，將其加工成規(guī)定的形狀、類型以及所需的性能，下面將介紹幾種典型的加工方法，具體如圖1所示。

本文提出4種典型的加工方法進行分析，即纏繞成型、橫壓成型、RTM成型、拉擠成型加工方法，每種加工方法對應相應體育器材。

2.1.1 纏繞成型加工方法

這種加工方法主要應用在高爾夫球桿、棒球桿、釣桿等桿類體育器材中。大致的加工方法是將樹脂類基體與碳纖維融合后形成碳纖維復合材料，其中碳纖維的排列方向符合體育器材使用時的受力方向需求，注入到模型后固化成型，此加工方法操作簡單、工藝不復雜;但只適用于對規(guī)格和形狀固定的體育器材，因此不足之處是使用范圍有限[2]。

2.1.2 橫壓成型加工方法

簡單來講，就是講碳纖維復合材料升溫熔融后注入到相應的模具當中，利用物理壓力進行壓制成型，再經(jīng)過冷卻固化后，產(chǎn)品成型完成。優(yōu)點是可以大批量的生產(chǎn)，并且具有自動化、可重復生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點;但也有前期的模具開發(fā)成本較高，拓展性較差的缺點。

2.1.3 RTM成型加工方法

不同于纏繞成型和橫壓成型加工方法，其只能對固定的形狀進行加工;RTM成型加工方法可以進行高度的定制，解決了某些體育器材形狀不規(guī)則的問題。加工方法是將碳纖維復合材料織物使用模具進行預成型處理，再將樹脂基體材料熔融注入到織物預成型的模具當中，也是經(jīng)過冷卻固化成型過程，從而得到不規(guī)則形狀的體育器材配件;缺點是適用于標準化程度較低的體育器材加工。

2.1.4 拉擠成型加工方法

通過對浸潤的碳纖維基體材料量的控制，來獲得性能程度不同的體育器材。加工方法是對碳纖維材料進行規(guī)定范圍的拉伸，通過對材料拉伸后纖維之間空隙加大，再將碳纖維投入到樹脂基體液中進行浸潤，最后進行擠壓和熱固化加工而得到的體育器材。適用的范圍是簡單形狀和簡單規(guī)格的體育器材部件。

2.2 優(yōu)化的加工方法

典型的碳纖維復合材料加工方法，針對于簡單的體育器材加工是可行的，但是面對更高的工藝和性能的需求是無法滿足的，因此需要對碳纖維復合材料加工方法進行優(yōu)化。本文提出了熱壓罐加工方法、真空袋壓加工方法、預浸料吹起模壓加工方法、卷管加工方法。

2.2.1 預浸料吹氣模壓加工方法

預浸料吹氣模壓加工方法的提出是為了解決體育器材在模壓過程中，中空部分無法進行二次加工的不足。大致方法是將填充的發(fā)泡劑放入加壓模具中，隨后對其進行加壓，而發(fā)泡劑因為壓力的原因撐破預浸料，完成對中空部分的加工。預浸料吹氣模壓加工方法適用于各類球拍中，或者是中空的部件當中，完美的解決了球拍在揮動時會產(chǎn)生噪音的問題，同時質(zhì)量也得到了需求控制。

2.2.2 熱壓罐加工方法

碳纖維復合材料熱壓罐加工方法，是根據(jù)體育器材的性能需求將預浸料依照順序放入模具中，毛坯進行真空袋包裝處理，放入碳纖維熱壓罐中，目的是抑制熱壓時空氣對體育器材部件的影響，再進行熱壓罐加熱、加壓處理，達到設計要求后停止加熱、加壓后固化成型。熱壓罐加工方法多用于航天航空領域，因其加工工藝價格較高，加工方法相對復雜，適用于賽車領域等投資高昂的體育項目中[3]。

2.2.3 真空袋壓加工方法

真空袋壓加工方法是基于熱壓罐加工方法造價高昂的實際問題提出的，對于某些體育項目并沒有那么多的投入資金，因此研制出新型碳纖維成型加工方法。熱壓罐加工方法造價成本高的原因之一是熱壓罐的固化，因此科研人員將熱壓罐改成固化爐來降低加工的成本。相對于固化爐而言，因為達不到熱壓罐的氣壓高度，因此部件的孔隙率也沒要達到熱壓罐加工的標準。但是通過對預浸料的深入研究發(fā)現(xiàn)，如果對其進行改良，可以利用纖維的空隙將空氣排出，也可以實現(xiàn)低空隙率要求。

2.2.4 搓管加工方法

搓管加工方法工作原理是通過搓管機將預浸料卷成型，再利用搓管機上的熱輥裝置對預浸料進行熱軟化。隨著搓管機的轉(zhuǎn)動將預浸料卷到管芯上，達到設計要求后進行冷卻處理，取出后表面纏繞熱收縮膜放入烤箱進行固化，冷卻后撕掉熱收縮膜加工完成。

3 碳纖維復合材料體育器材性能對體育運動的綜合影響

如果將體育器材進行分類，大致可分成手持型、支撐型和負荷型三類體育器材，手持型常見的包含桿類和棒類器材，例如網(wǎng)球拍、高爾夫球棒、跳高桿等;支撐型包括自行車、賽車、單雙杠等;負荷型包括啞鈴、沙包等體育器材。本文將選取部分體育運動項目，探究碳纖維復合材料體育器材性能對體育運動的影響。

3.1 球拍類器材分析

作為常見的體育器材，球拍類包含羽毛球拍和網(wǎng)球拍等拍類。從結(jié)構(gòu)上分析球拍分成把手和拍面，以前球拍的材質(zhì)大多是金屬框架或者是木質(zhì)拍柄，但是整體質(zhì)量相對較大，強度卻很低。隨著羽毛球和網(wǎng)球運動的發(fā)展，碳纖維復合材料逐漸的被運用在體育器材上，碳纖維復合材料也實現(xiàn)了對球拍框架和球拍手柄的替代，使質(zhì)量大大減低，球拍的強度、減震性和延伸性卻得到了加強，避免激烈運動時球拍發(fā)生變形。我國已經(jīng)有企業(yè)在對于碳纖維復合材料球拍的研究當中加入了納米二氧化硅粒子，使碳纖維復合材料的結(jié)構(gòu)更加均勻，利用該復合材料使球拍框架的設計變成了一體化結(jié)構(gòu)，進一步的增強了球拍的強度[4]。

3.2 自行車

自行車我們并不陌生，可以說是一種全民的運動。老式金屬框架的自行車質(zhì)量非常重，而且某些零部件的性能并不良好容易出現(xiàn)開裂生銹等問題，自碳纖維復合材料運用在汽車領域后，使自行車的整體質(zhì)量減輕了N倍，從整體車架到小的部件都可使用碳纖維復合材料，但是剛開始只是適用于專業(yè)的自行車比賽當中，運動員的成績得到了大幅度的提升。隨著碳纖維復合材料的發(fā)展，產(chǎn)量也越來越高，由碳纖維復合材料制作的自行車，已經(jīng)投入到百姓的消費當中，因其較輕的車身，過硬的質(zhì)量，已經(jīng)逐漸的被廣大車迷認可和追捧。

3.3 撐桿跳桿

撐桿跳桿最開始是以木質(zhì)材質(zhì)為主，無論是韌性還是質(zhì)量都相對一般，有時會出現(xiàn)跳桿斷裂的情況，無論是運動員的成績還是安全都無法保證。對于動能和勢能的儲性也相對較差，運動員的動能無法被轉(zhuǎn)化因此影響運動員的成績。經(jīng)過不斷的發(fā)展人們將玻璃纖維為材料制成跳桿，彈性更好，質(zhì)量也更輕，使運動員的成績有了質(zhì)的飛躍。直到今天撐桿跳的跳桿已經(jīng)演變成碳纖維復合材料，由于可以改變碳纖維的排列方向，運動員可以根據(jù)自身的運動習慣進行定制，運動員的動能與跳桿良好的性能相結(jié)合，并在良好的形變彎度支持下，取得更好的跳高成績。

3.4 板類器材

板類器材涉及到很多種，例如滑雪板、沖浪板、乒乓球板等。本文主要研究滑雪板使用碳纖維復合材料對于性能的提升和對運動的綜合影響。對于滑雪板來說，需要滿足的性能需求是首先要有足夠的強度來保證滑行的平穩(wěn)和運動員的安全。因為雪上項目的比賽速度很快，在進行使用時會發(fā)生轉(zhuǎn)向及震動的情況，這時就要求滑板具有一定的穩(wěn)定性及緩震性來保護運動員。對比木質(zhì)和金屬材質(zhì)的滑板，碳纖維復合材料能夠更好的適應冰雪環(huán)境，無論是韌性還是彈性都優(yōu)于其他材質(zhì)，使用的體驗也優(yōu)于另外兩種。因此材料的性能會對運動員的健康和適用效果產(chǎn)生很大的影響。

3.5 高爾夫球棒

高爾夫球棒屬于手持類的體育器材，依據(jù)高爾夫球這項運用規(guī)則，想要擊打出理想的距離，高爾夫球棒必須具有良好的彈性。上文說到高爾夫球棒的加工方法屬于纏繞成型加工方法，使其具有改變碳纖維的排列方向符合運動員發(fā)力特點的性能，通過碳纖維復合材料的使用，使球桿的彈性得到了加強，那么擊打的距離也會隨之增加，實現(xiàn)運動員對于理想距離的控制。

以上幾種體育器材，基本的性能要求是輕質(zhì)化，運動項目不同選擇的體育器材也不同，對于制作體育器材的碳纖維復合材料的性能需求也是不同的。根據(jù)需求碳纖維復合材料都能以高性能的表現(xiàn)應用在體育器材上，為運動員提供可靠的支持，為熱愛體育的人營造良好的使用體驗[5]。

4 結(jié)語

隨著體育事業(yè)的發(fā)展，國民在感受到運動的熱潮后積極的投身當中，營造了全民運動的良好氛圍，既推動了國民經(jīng)濟的發(fā)展，又使國民生活質(zhì)量得到了提高。本文對碳纖維復合材料進行了較深入的分析，對比其他材料具有很大的性能優(yōu)勢。對于碳纖維復合材料的典型加工方法和優(yōu)化的加工方法進行了闡述，并對碳纖維復合材料在體育器材中的實際應用進行了性能的剖析和總結(jié)。

【參考文獻】

[1] 張小躍.碳纖維復合材料強度對體育器材耐磨性能的影響[J].合成材料老化與應用，2020，49（4）：160-162.

[2] 王靜.纖維增強復合材料及其在體育娛樂器材中的應用[J].合成材料老化與應用，2019，48（6）：137-140.

[3] 劉冬，謝佳.碳纖維增強復合材料特性及其在體育器材中的應用[J].合成材料老化與應用，2020，49（4）：144-146.

[4] 劉亞飛.體育器材用CFRPA6復合材料的制備及其性能[J].合成樹脂及塑料，2020，37（1）：51-55.

[5] 權(quán)華.高性能復合材料體育器材對競技體育發(fā)展影響分析[J].合成材料老化與應用，2020，49（6）：153-155.