碳纖維織物引入體育器材成型技術(shù)及力學(xué)性能研究

郭照宇

摘 要：碳纖維織物在體育器材領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，針對不同成型輪廓的體育器材，選用合適的纖維取向織物將有助于實現(xiàn)產(chǎn)品成型特性的優(yōu)化。基于此，簡單介紹了體育器材用碳纖維織物的幾種常見成型技術(shù)，如模壓成型、RTM成型與擠壓成型等。再以體育器材中常用的碳纖維織物T3OO-3K平紋布料為試驗對象，設(shè)計了單軸拉伸、雙軸拉伸以及方盒沖壓試驗，分析研究其拉伸性能與沖壓性能，總結(jié)碳纖維織物在成型過程中的力學(xué)行為與變形機理。

關(guān)鍵詞：體育器材；碳纖維織物；拉伸性能；沖壓性能

中圖分類號：TQ342+.742

文獻標(biāo)志碼：B文章編號：1001-5922（2023）04-0079-04

Study on tensile and stamping properties of carbon fiber fabric for sports equipment

GUO Zhaoyu

（Xinjiang Vocation and Technical College of Construction，Urumqi 830054，China）

Abstract：Carbon fiber fabric has a wide application prospect in the field of sports equipment.For sports equipment with different molding contours，selecting appropriate fiber oriented fabric will help to optimize the molding characteristics of products.Based on this，this paper briefly introduced several common molding technologies of carbon fiber fabric for sports equipment，such as molding，RTM molding and extrusion molding.Then，taking the carbon fiber fabric t3oo-3k plain cloth commonly used in sports equipment as the test object，the uniaxial tensile，biaxial tensile and square box stamping tests were designed，the tensile and stamping properties were analyzed and studied，and the mechanical behavior and deformation mechanism of carbon fiber fabric in the forming process were summarized.

Key words：sports equipment;carbon fiber fabric;tensile properties;stamping performance

碳纖維織物是一種主要由碳元素所組成的有機纖維復(fù)合物，最常見的主要是將細(xì)片狀或石墨微晶進行碳化處理之后，與聚碳酸酯等進行復(fù)合處理而得到，其具備耐熱、高強度、高模量、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，并在沿纖維軸方向的強度尤為突出，比強度（即材料極限強度與材料單位質(zhì)量的比值）較高，在紡織、化工以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用場景［1-3］。

在運動應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)體育用品為實現(xiàn)輕質(zhì)、大剛度的目的，較多采用木材或其復(fù)合材料［4-5］進行生產(chǎn)；而碳纖維織物的力學(xué)性能相比木材有一定的提高，以杉木為例，其比強度僅為碳纖維增強復(fù)合材料的四分之一，而比模量也僅為其三分之一［6］。因此，碳纖維織物也較適合適用于制造運動器材，正因如此，其在體育器材方面的應(yīng)用也逐年攀升，比如高爾夫棒球、網(wǎng)球拍、滑雪板等［7-9］。

在生產(chǎn)體育器材的碳纖維織物流程中，碳纖維織物往往處于較為復(fù)雜的受力狀態(tài)，對其受荷過程中的真實應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析，掌握其變形特征和成形性能，將有助于根據(jù)體育器材的幾何形狀進行合理的纖維取向設(shè)計，從而充分利用碳纖維織物的基本力學(xué)特性，實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化［10-11］。為此，本文先對體育器材用碳纖維織物的壓縮成型技術(shù)進行了簡單介紹，再基于碳纖維織物T3OO-3K平紋布料，分別采用雙軸與單軸拉伸以及沖壓的試驗方法，對碳纖維織物在變形條件下的基本力學(xué)特性和變形性能進行研究分析［12-14］。

1 成型技術(shù)分析

目前，使用碳纖維織物制作體育器材的生產(chǎn)方法有許多，包括模壓成型、擠壓成型和RTM成型3種方法。碳纖維織物在制作體育器材以及個人防護用品時，可按照體育器材的應(yīng)用場合、項目需求等不同要求選用相應(yīng)的加工成型方法；表1為幾種常見體育器械的加工成型方法［15］。

1.1 模壓成型技術(shù)

模壓成型是在封閉模腔內(nèi)，用高溫和機械加壓凝固后所獲得的成型制品。模壓成型的增強材料，主要是短切纖維、連續(xù)纖維物等［16］。因為該方法成型效率高、制造精度高、成型表面光潔，所以特別適合制造工藝精細(xì)和重復(fù)性很大的體育運動用品［17］。在制造較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制品時，由于模壓成型技術(shù)不需再進行車、刨等加工工序，就能夠做到一次成型，因此也減少了對成型物料的消耗，并使產(chǎn)品具有較良好的外觀和可重復(fù)性［18］。但該技術(shù)對模型裝配提出了更高的技術(shù)要求，并對專用設(shè)備也有著較高的技術(shù)要求［19］。

1.2 RTM成型技術(shù)

RTM成型技術(shù)是將纖維或預(yù)成胚放入密封模腔內(nèi)，以樹脂工藝灌注模腔并浸透預(yù)成型胚，再進行固化、自動脫模等工序而成型。該技術(shù)應(yīng)用于制作質(zhì)量較高、玻璃纖維濃度高、多孔性較低的復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由于在制模過程中沒有環(huán)氧樹脂工序，故可保護制品表面的光滑性［20］。同時，該技術(shù)可節(jié)約成本，并能利用CAD技術(shù)實現(xiàn)模具設(shè)計，成型構(gòu)件也可以進行局部強化。另外，由于工藝在成型過程中所生成的揮發(fā)物量較小，對周圍環(huán)境損害也較少［21］。因此，RTM技術(shù)一般用來制造大量的碳纖維織物結(jié)構(gòu)，如自行車、皮劃艇等。

1.3 擠壓成型技術(shù)

擠拉成型是以玻璃纖維復(fù)合材料的加工方式連續(xù)生產(chǎn)，并將玻璃纖維束或帶狀物，在外力作用下經(jīng)過浸膠、擠出、熱凝固、剪切等加工工藝，做成富有特點造型和尺寸的細(xì)線形制品。拉擠過程中，一般采用與材料橫向斷面形狀相對應(yīng)的成型模制造法，即先使經(jīng)浸漬的連續(xù)纖維材料投入模腔中固化成型，并在模腔內(nèi)凝膠材料，最后在機械拉力下，引拔出型料制品。生產(chǎn)成品時，通過增加沿軸力方向平行排列的玻璃纖維，進而增強了復(fù)合材料的強度。拉伸制品具有高強、質(zhì)輕的優(yōu)點，是各類運動裝置的理想使用條件。

2 成型力學(xué)性能試驗

無論是模壓成型、擠壓成型還是RTM成型，碳纖維織物在成型過程中都將處于復(fù)雜的力學(xué)狀態(tài)。為分析體育器材用碳纖維織物的成型力學(xué)特點，選用體育器材中常用的碳纖維織物T3OO-3K平紋布料為試驗對象，其楊氏模量為240 GPa，抗拉強度為3.5 GPa，厚0.25 mm。試驗過程中，分別設(shè)計3個試驗，并從碳纖維織物的雙軸拉伸變形特性、單軸拉伸變形特性和沖壓成型特性3方面加以分析。

2.1 單軸拉伸性能

進行單軸拉伸測試時，選取的試樣布料呈矩形，長230 mm，寬115 mm。拉伸變形裝置為Zwick/Roell 2 t萬能拉伸試驗機。試驗中的拉伸方向平行于織物紗線，速度設(shè)置為2 mm/min。試驗條件為室溫，并進行多次樣品試驗，形成的單軸拉伸力-位移曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，碳纖維織物試驗時的幾次單軸拉伸力波動變化較大，其中原因主要是試樣的剪裁難度較大，且在拉伸過程中，纖維斷裂的具體情況也不同。此外，盡管該測試的數(shù)據(jù)波動很大，但仍能夠根據(jù)拉伸力與位移之間是否呈現(xiàn)為線性關(guān)系這一判斷原則，將單軸拉伸力-位移曲線粗略分成3個階段：第1階段，鑒于編織纖維之間存在縫隙以及部分纖維處于卷曲形態(tài)，此時拉伸力與模量相對較??；第2階段，變形逐步增加后，拉伸力變化曲線逐漸接近于線性且拉伸模量相應(yīng)增大，此區(qū)間處于正常的拉伸階段，且此階段中各試塊的彈性模量基本相同；第3階段，織物的變形很大，拉伸力-位移曲線發(fā)生了顯著的非線性變化，其拉伸模量相比前一階段也有所減小，這主要是因為該階段發(fā)生了大量的碳纖維破壞現(xiàn)象。

綜上所述，通過對該碳纖維織物的單軸拉伸試驗，能夠?qū)崿F(xiàn)對碳纖維織物力學(xué)特征的定性表征。另外，從整體單軸拉伸試驗的拉伸力-位移曲線形狀能夠發(fā)現(xiàn)，沿紗線走向，該碳纖維織物的拉伸性能存在著明顯的非線性力學(xué)行為。

2.2 雙軸拉伸性能

為更好地掌握碳纖維織物經(jīng)紗與緯紗之間的力學(xué)影響關(guān)系，對該碳纖維織物開展了不同雙拉比條件下的雙軸拉伸試驗。試驗時，為減少表面內(nèi)的剪切變形情況，將試驗樣式設(shè)計為“十字正交形”，中心范圍的有效區(qū)域尺寸為50 mm×50 mm。牽拉臂的長度設(shè)為180 mm，寬度為50 mm。在測試時，為達到不同的雙拉比，可通過調(diào)整經(jīng)紗方向和緯紗方向的相對位移來完成。試驗時的最大牽拉速度為2 mm/min。在同一室內(nèi)溫度下進行多次樣品試驗，并根據(jù)數(shù)據(jù)得到經(jīng)緯方向上的拉伸荷載-應(yīng)變曲線。由于平紋面料的力學(xué)性能經(jīng)線方向與緯線方向基本相同，因此本文僅提供了經(jīng)線方向上的拉伸荷載-應(yīng)變曲線，具體如圖2所示。

從圖2可以看出，在同一雙拉比下，當(dāng)織物變化很小時，材料模量很低，因而表現(xiàn)出明顯的非線性；當(dāng)織物變化較大時，幾乎為線性變形。同樣，由于牽拉比加大，非線性變化范圍也減小，而且線性區(qū)域內(nèi)的材質(zhì)彈性模量也不會因為牽拉比的加大而有所提高，與單軸拉伸試驗分析結(jié)果一致，在開始階段，非線性變化的原因是織物中纖維空隙和纖維卷起的存在。隨著雙拉比的加大，纖維之間的橫向擠壓程度加大，使纖維空隙和卷起的現(xiàn)象大大減少，所以在單軸拉伸時（即另一端無約束），非線性范圍最大；但是，在所有纖維都進入拉伸性態(tài)以后，材質(zhì)特性則逐步由碳纖維材料自身決定。雙軸拉伸試驗的結(jié)果表明，該材質(zhì)的織物存在著強烈的雙拉耦合效應(yīng)，即某個方向的力學(xué)行為會影響另一個方向的力學(xué)行為?；诖?，在碳纖維復(fù)合材料的成型過程中，特別是對于熱沖壓成型工序，其在壓邊圈時將會產(chǎn)生壓邊應(yīng)力，此時將存在試驗中所述的雙拉耦合效應(yīng)，其對碳纖維復(fù)合材料的成型影響應(yīng)當(dāng)予以考慮。

2.3 沖壓成型性能

通過上述的單軸、雙軸等拉伸試驗，可初步掌握該碳纖維織物的力學(xué)特性。為進一步研究其在成型過程中的力學(xué)與變形原理，擬采用方盒沖壓試驗進一步探索。先將織物裁剪出正方形試樣，尺寸為160 mm×160 mm，剪切方式一般有2種：一種為裁剪方向平行于纖維束；另一種為垂直纖維束進行剪裁。方盒沖壓模具設(shè)計為60 mm×60 mm×30 mm。該模具為軸對稱形式，以其橫向為1軸，縱向設(shè)為2軸，再以對稱中心作為原點，建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，具體如圖3所示。碳纖維織物相對于模具的紗線位置可由該坐標(biāo)系進行定義。在試驗過程中，基于模具坐標(biāo)系，使2種試樣的坐標(biāo)系與之重合；試驗在自行開發(fā)的熱模壓成型機上展開。

從圖3可以看出，在成型過程中，織物纖維進行了一定程度的重新排列與取向，而這一過程主要是由纖維轉(zhuǎn)動來完成的。不同輪廓尺寸的零件可由不同取向的試樣來實現(xiàn)成型，本次試驗成型結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，對于0°/90°試樣的成型件如圖4（a）所示，其在邊界處的纖維縮進程度非常不平衡，故而在圓角過渡帶，由于相應(yīng)的剪切角達到了臨界剪切鎖死角（35°），因此產(chǎn)生了起皺現(xiàn)象。同時，成型零部件的輪廓形狀也產(chǎn)生了與金屬成型中的“制耳”現(xiàn)象差不多的情況，這客觀上說明了該織物具有很大的各向異性，所以可按照零部件輪廓外形選用纖維取向合適的織物，生產(chǎn)中合理地鋪層，降低結(jié)構(gòu)缺陷，從而優(yōu)化成型零部件的力學(xué)性能。而如圖4（b）所示，對于±45°試樣的成型件，其在邊界處的纖維縮進程度相對平均，因此在圓角設(shè)計的過渡區(qū)域內(nèi)未產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本文針對體育器材用的碳纖維織物，對其成型技術(shù)進行了簡要介紹，再通過設(shè)計單軸拉伸、雙軸拉伸以及沖壓試驗，分析其成型過程中的力學(xué)行為與變形特征，主要得出如下結(jié)論：

（1）碳纖維織物具備顯著的非線性和各向異性的力學(xué)特征，并存在雙拉耦合效應(yīng)，即經(jīng)線（緯線）方位的力學(xué)行為會直接影響緯線（經(jīng)線）方向的力學(xué)行為。在雙軸拉伸條件下，隨著雙拉比的增大，拉力-應(yīng)變曲線的非線性范圍逐步縮?。?/p>

（2）在碳纖維織物的成型過程中，剪切變形是織物變形的基本模式。在剪切角到達“臨界鎖死角”時，纖維間將互相形成強烈的壓迫，使織物出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。因此，剪切鎖死角在預(yù)測起皺方面有一定的作用；

（3）對于同種織物不同紗線取向的試樣而言，其成型特性也不同。在成型件邊界縮進程度方面，±45°織物相較于0°或90°織物更平均，起皺趨勢也更小。因而可采用合適的纖維取向織物，實現(xiàn)不同的零部件幾何外形，并通過合理鋪層，減少缺陷，優(yōu)化成型零部件的力學(xué)特性。

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