CFRP復(fù)合材料在不同運動器材中的結(jié)構(gòu)性能及優(yōu)勢分析

張波

摘要：隨著社會的飛速發(fā)展，當代人們對體育項目也日益重視起來，為此對體育項目的設(shè)備也提出了更高的要求，材料的使用直接影響運動器材的性能。目前，CFRP材料廣泛應(yīng)用于體育器材，大大提高了體育器材的綜合使用性能。體育器材針對剛度、密度等方面的要求非常嚴格。CFRP材料跟傳統(tǒng)組成材料做對比，CFER材料的綜合性能優(yōu)勢要遠高于傳統(tǒng)塑料，如今CFER材料已經(jīng)成為運動器材領(lǐng)域不可缺少的部分。

關(guān)鍵詞：CFRP材料；運動設(shè)備；復(fù)合材料；材料性能

中圖分類號：TQ327.3文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0104-03

Analysis of structural performance and advantages of CFRP?composites in different sports equipment

ZHANG Bo

（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang? 712000，Shaanxi China）

Abstract：With the rapid development of the society，people pay more and more attention to the sports programs，so higher requirements are put forward for sports equipment，and the use of materials directly affects the performance of sports equipment.At present，CFRP materials are widely used in sports equipment，greatly improving the comprehensive performance of sports equipment.The requirements for stiffness and density of sports equipment are very strict.Compared with the traditional constitute materials，the comprehensive performance advantages of CFER materials are much higher than that of the traditional plastics.Now CFER materials have become an indispensable part of the field of sports equipment.

Key words： CFRP materials;sports equipment;composite materials;material properties

我國傳統(tǒng)的體育設(shè)施絕大部分由鐵、不銹鋼或者木頭制作得出，這些材料制成的器材普遍存在的問題有質(zhì)量差、安全性差、綜合性能差等問題，為此需要改變體育器材的組成材料。CFRP材料主要由碳元素而構(gòu)成的纖維材料，CFRP材料的質(zhì)量較輕、耐腐蝕以及強度高，此材料的使用可以完全替代傳統(tǒng)塑料以及避免傳統(tǒng)塑料帶來的問題。

CFRP材料也被稱為碳纖維增強塑料，此材料不僅擁有著傳統(tǒng)塑料的結(jié)構(gòu)以及性能，但是跟傳統(tǒng)的塑料相比，二者之間的區(qū)別很大[1]。因此，CFER材料不僅擁有傳統(tǒng)塑料的特點，還擁有著傳統(tǒng)塑料中不含有的特質(zhì)。在CFRP材料中，碳纖維是彌散相，塑料是連續(xù)相，碳纖維起連接作用，塑料起決定基體結(jié)構(gòu)的作用。

1CFRP的性能優(yōu)勢

CFRP材料中主要包含塑料和碳纖維2種成分，基體相為塑料，增強相為碳纖維，二者間可以的結(jié)合不僅可以傳遞應(yīng)力，還可以承受應(yīng)力，換句話來說，CFRP材料中含有塑料和碳纖維2種特性，使其綜合性能提升。

（1）力學性能。CFEP材料在減去自身重量時還有效的提升了力學性能，特別適合作為輕型和高強度器材的原料[2-4]。表1展示了CFRP材料與傳統(tǒng)材料的性能參數(shù)，由此得出，CFRP材料的質(zhì)輕高強特點比傳統(tǒng)的材料強太多。

（2）減震性。塑料整體屬于高分子材料，聚合物具有明顯的長鏈結(jié)構(gòu)，聚合物在發(fā)生形變時壓縮性比普通流體大得多，形變性質(zhì)兼具固體的彈性和液體的黏性特征；CFEP材料，塑料與碳纖維的深層里面本身就含有許多裂開的細紋[5]。CFEP材料收到外界作用發(fā)生振動時，碳纖維與塑料的深層裂紋會產(chǎn)生摩擦力，當外力消失時，部分由于摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為熱能，即發(fā)生內(nèi)摩擦，即材料的宏觀性能有較好的減震效果。

（3）安全等級較高。由表1可知，CFEP材料作為一種新型復(fù)合材料，該材料的強度及性能遠超于傳統(tǒng)金屬材料，在使用此材料的時候，如果超出CFEP材料可承受范圍，該材料不會直接斷裂，而是輕微斷裂來防止危險發(fā)生[6-8]。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計較隨意化。碳纖維作為一維材料，其排序方向決定了該材料的受力狀況，利用好碳纖維排列方向進行整體或部分設(shè)計，可以有效地提升此材料的受力情況[9]。碳纖維機織物可以使材料具有良好的力學性能。CFEP材料除具有上述優(yōu)良性能外，還可作為運動器材的原材料，具有良好的環(huán)保性能、高抗疲勞性能和使用壽命較長等特性外，這些特點使其運動器材的綜合性能大大提升。

2運動器械器材選材原則

2.1質(zhì)量輕

在體育方面，有很多設(shè)施和器材要求自身質(zhì)量輕，例如自行車、滑雪板、運動鞋、乒乓球拍等，這些運動器材自身質(zhì)量越輕盈，越容易使運動者發(fā)揮出自己的真實水平，質(zhì)量越輕，使用者消耗的體力就越少，活動的時間也會隨之增長[10-11]。此外，還有其他一些器材需利用機械動力來運動，例如電動游艇、電動碰碰車等，這類運動設(shè)備也需要自身輕的要求。此類器材在進行日常維修或者保養(yǎng)的時候會更加便捷，會有更好的減震性能。CFEP材料最突出的一點就是質(zhì)量輕盈。

2.2強度韌性好

如被使用的材料強度以及韌性都很優(yōu)越，那在使用的過程中會使其材料消耗降低，并且達到體育器材所需要的綜合性能。鋁、鋼擁有著較好的力學性能，鋁和鋼現(xiàn)在作為我國優(yōu)先使用的體育器械材料，但跟CFEP材料進行對比，鋁和鋼的強度與模量卻遠不及CFEP材料，雖說當下運動器械使用鋁和鋼作為原材料的占絕大部分，但從長遠分析，CFEP材料會逐漸取代鋁和鋼在運動器材的地位[12]。

2.3抗老化效果

大部分體育器械都屬于戶外設(shè)備，易受自然因素的影響，如雨水和酸性氣體的作用等，久而久之就會使體育器械發(fā)生掉漆、腐蝕以及老化等現(xiàn)象，導致體育器材的表面發(fā)生短期內(nèi)列，導致體育器材無法正常使用而且無法保證安全。為了預(yù)防體育器械老化、腐蝕等現(xiàn)象，體育器械需利用抗老化效果好的材料來延長體育器械的使用壽命，可以綜合提高體育器械的性能以及使用時間[13-14]。

3體育器材的成型方法及影響

根據(jù)具體的實際案例可以利用多種不同的方法來制作CFEP材料的體育器械，不同的制作方法也會影響到CFEP材料的綜合性能，根據(jù)不同的體育器材采用不同的制作方法可以有效地提升器材的性能，不僅可以使生產(chǎn)效率提升，還能使生產(chǎn)成本降低，如圖1給出了不用的制造體育器材的制備方法及具體應(yīng)用。

（1）纏繞成型。此制造方法是將碳纖維徹底浸泡在塑料中，將碳纖維纏繞在成型模具周圍，并等其凝固取出即可，可以根據(jù)運動器材受力來為不同的器材進行不同的排列方向以及纏繞成型的方式，此方法的成型簡單易操作[15]；

（2）模壓成型。此制造方法是將碳纖維協(xié)同塑料一起放進成型模具當中，用高溫將其融化，施加一定的壓力將其冷卻使凝固成型。此類方法比較偏向于大量生產(chǎn)，屬于可重復(fù)性產(chǎn)品，可以引入自動化生產(chǎn)技術(shù)；

（3）RTM成型。此類方法是將碳纖維放入模具中優(yōu)先定型后，將融化后的基體塑料依次倒入模具中，等待凝固定型即可，該方法可以針對產(chǎn)品進行設(shè)計，對生態(tài)環(huán)境污染較輕，過程較為簡單；

（4）拉擠成型。此方法可以將碳纖維放入事先融化的基體塑料中，隨后進行擠壓以及加熱固化的方法，此法可根據(jù)基體塑料的量決定產(chǎn)品的性能。

4CFEP材料在桿、棒和板類器材中應(yīng)用

CFEP材料被廣泛應(yīng)用于體育器材制造已經(jīng)多年，如今CFEP材料也是當前制造體育器材的首選材料之一。據(jù)分析，我國在體育器材制作上的碳纖維用量高于5 500 t，而CFEP材料的使用量已達萬噸以上。我國輕工業(yè)體育器材制造業(yè)的聚集地“珠三角”地區(qū)消耗的碳纖維占我國的80%。CFEP材料在球類體育器材以及板類體育器材上得到了廣泛應(yīng)用，例如網(wǎng)球拍、乒乓球拍、滑雪板等等，如今世界各大知名體育器材品牌均在使用CFEP材料。

4.1桿、棒類體育器材

桿、棒類器材對原材料最大的要求就是彈性。例如撐桿、高爾夫球桿以及釣魚竿等。就拿撐桿來說，撐桿必須要能承受運動員的重量，而且對回彈力要有一定的要求。傳統(tǒng)的撐桿由傳統(tǒng)的木材加工而成，重量較大而且彈性不足。CFEP撐桿由纏繞成型方式進行加工得出，不僅彈性較強，大幅度提高運動員的水平。高爾夫球桿也同撐桿一樣采用纏繞成型方式，利用CFEP材料制作出的高爾夫球桿延長了擊球時間以及距離。CFEP材料的釣魚竿也擁有質(zhì)請等突出優(yōu)勢[16]。

4.2板類體育器材

板類體育器材主要含有沖浪板、帆船板等，板類體育器材對減震性是唯一的要求。運動員在操控滑雪板的過程中進行轉(zhuǎn)向就需要滑雪板擁有一定的穩(wěn)定性和減震性，采用CFEP材料以及芳綸－碳纖維混雜材料所制作出的滑雪板，穩(wěn)定性和減震性都得到了保障。而沖浪板屬于水上體育運動的一種，這對沖浪板的防腐蝕性有著很高的要求，而CFEP材料的密度低、防腐蝕性好，利用CFEP材料可以制作出綜合性能更好的沖浪板[17-18]。板類成型方式以及材料如表2所示。

4.3球拍類體育器材

球拍類體育器材作為日常生活最常見的運動器材，如今大部分中高端球拍均采用CFEP材料加工制成，不僅可保證球拍擁有高強度彎曲性能而且可以更大尺度的避免變形。CFEP球拍類體育器材的效果是傳統(tǒng)球拍無法達到的，雖說重量跟傳統(tǒng)的球拍差異不大，但其綜合性能卻是傳統(tǒng)球拍無法比擬的。

5結(jié)語

CFEP材料與金屬材料具有較大的差異性，CFEP材料整體性能良好、工藝多元化，而且CFEP材料在制作運動設(shè)備器材優(yōu)勢顯著、成本較低，在體育器材領(lǐng)域發(fā)展迅速，必將有廣闊的發(fā)展。

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