碳纖維復合材料對高爾夫球桿阻尼性能的影響因素

徐立功， 鞠明杰（華東理工大學體育科學與工程學院，上海 200237）

碳纖維復合材料對高爾夫球桿阻尼性能的影響因素

徐立功， 鞠明杰
（華東理工大學體育科學與工程學院，上海 200237）

采用實驗室自制的雙組分聚氨酯基體樹脂與T700碳纖維共聚制備了一系列聚氨酯基碳纖維復合材料薄板，并對其進行了靜態(tài)和動態(tài)熱力學性能測試。結果表明：當形變量小于0.5%及形變速率小于0.4%/s時，材料的阻尼性能不發(fā)生明顯變化；碳纖維取向角度對阻尼性能有明顯影響，隨取向角度增大，阻尼性能下降。將實驗測試結果與理論模型計算結果對比，發(fā)現兩者基本吻合，為采用聚氨酯基碳纖維復合材料制備高爾夫球桿的計算提供數據參考。

阻尼性能；碳纖維復合材料；動態(tài)力學性能

高爾夫球桿在擊球過程中會產生巨大的能量并以球桿發(fā)生彎曲形變的形式儲存，如果阻尼性能差，能量釋放速率過快，易導致手部疲勞，因此，球桿能夠依靠其自身阻尼性能最大程度地慢速釋放擊球振動所產生的能量是十分必要的［1-3］。材料的阻尼性能Ψ由損耗因子η來表征，其結果由耗能模量E″和儲能模量E′的比值決定［4］。理論上阻尼性能越好，減震作用越明顯，但阻尼性能的提高一般都伴隨著材料剛性的下降。而聚氨酯基碳纖維復合材料卻為兼顧高阻尼性能及高剛性提供了可能。這是因為碳纖維的剛性高，阻尼性能低，而聚氨酯基體樹脂則具備優(yōu)異的阻尼特性［5］，且阻尼性能可根據樹脂配方進行調整。因此，只要通過實驗找到兩者恰當的混合比例，完全有可能制備出兼?zhèn)涓咦枘嵝院透邉傂缘牟牧稀?/p>

眾多學者已對傳統(tǒng)的復合材料的靜態(tài)和動態(tài)力學性能進行過深入的研究，如Betzler和Slater等［6］研究了3種不同球桿在形變?yōu)?.4%及形變速率為0.1%/s時，下揮過程中球桿剛性的變化，結果發(fā)現球桿剛性在整個揮動過程中基本不發(fā)生變化；Berthelot等［7］研究了受力頻率、碳纖維板的長寬比及彎曲模式對損耗因子的影響，結果發(fā)現：將應力頻率從50 Hz增加到600 Hz時，凱夫拉（KEVLAR）纖維增強材料的損耗因子增加了18%，而玻璃纖維增強材料的損耗因子增加了26%，同時，將復合材料板的長寬比從5增加到100，材料的損耗因子也發(fā)生明顯的變化。

目前，鮮見有科研人員對聚氨酯基碳纖維復合材料的阻尼性能進行研究，以其制備高爾夫球桿也鮮見報道。為考察其可行性，本實驗用碳纖維增強聚氨酯樹脂制備了7塊復合材料薄板，并對這些薄板進行了一系列阻尼性能測試，研究了形變速率、形變量及薄板中碳纖維取向角對薄板阻尼性能的影響，并將實驗測試數據與文獻［8］理論推算數據相比較，為采用聚氨酯基碳纖維復合材料制備高爾夫球桿提供數據參考。

1　實驗方法

1.1原料及制備工藝

采用日本東麗公司的T700碳纖維和根據文獻［9］自制的雙組分聚氨酯樹脂，用模壓工藝［10］制備了7塊具有不同碳纖維取向角（圖1）的薄板，所有薄板中纖維的體積分數均為45%，固化條件均為125℃、1 h，規(guī)格如表1所示。

1.2測試儀器及原理

動態(tài)力學性能采用日本東機產業(yè)公司型號為Rheogel-E4000的DMA（Dynamic Thermomechanical Analysis）測試儀進行測試。原理如下：每塊板材在底端10 mm處被夾緊，另外一端兩側各連接一塊磁極，如圖2所示。信號發(fā)射器產生一個頻率及強度可調的正弦信號，經信號放大器傳遞至電磁鐵，電磁鐵通過與薄板上端磁極的相互作用將呈正弦變化的能量

表1　不同碳纖維取向角的板材規(guī)格Table 1 Panels specification of different carbon fiber orientations

圖2　材料阻尼性能的計算原理Fig.2 Calculation principle of materials damping performance

信號傳遞至薄板，此過程能量無損失；隨后能量經過薄板傳遞至其下方的應力計量器，根據能量的前后變化計算出材料的阻尼性能。

靜態(tài)力學性能采用日本島津AG-2000A型萬能試驗機進行測試并對數據進行分析。測試板材在以0.01%/s的形變速率達到1%形變總量過程中的力學性能變化曲線。

2　結果與討論

2.1形變速率對損耗因子的影響

圖3為形變速率對不同碳纖維取向角薄板的損耗因子的影響示意圖。從圖3可以看出，當形變速率低于0.4%/s時，隨形變速率的變化，1#～7#薄板損耗因子無明顯變化，說明材料的模量（E′和E″）在這一形變速率范圍內基本不發(fā)生變化，與Betzler 和Slater在文獻［6］中提到的只有當形變速率高于0.4%/s時，形變速率才會對模量產生明顯影響的結論相符合。這是因為當碳纖維取向角度固定，且形變速率較低時，材料有足夠的時間通過發(fā)生彈性形變來儲存外界施加在材料上的能量，能量消耗較少，即保持儲能模量E′和耗能模量E″都基本不發(fā)生明顯變化；而當形變速率高于0.4%/s時，意味著外界施加的能量變大，與低形變速率相比，材料無法通過彈性形變儲存更多的能量，多余的能量被材料以內生熱或發(fā)生永久形變的方式消耗掉，此時，E′變小或不變，而E″變大，損耗因子也隨之變大。

圖3　形變速率對不同碳纖維取向角薄板的損耗因子的影響Fig.3 Influence of strain ratio on the loss factor of panels with different carbon fiber orientations

2.2彈性形變范圍內外力對損耗因子的影響

圖4示出了5個薄板樣品的靜態(tài)拉伸曲線，從中可以看出，在0～0.5%的形變范圍內，隨形變量的增大，拉力基本上呈線性增大趨勢，符合胡克定律。根據Jones等［11］研究發(fā)現的對于拉力與形變呈線性變化的聚合物，即便在高形變下，其阻尼性能也基本不發(fā)生變化的結論，推測5個樣品的阻尼性能在這一形變范圍內也基本不會發(fā)生變化。為了驗證這一推論，對上述5個樣品在不同形變狀態(tài)下的損耗因子進行測試，如圖5所示。

圖4　不同碳纖維取向角薄板的靜態(tài)拉伸曲線Fig.4 Static stretching curves of panels with different carbon fiber orientations

從圖5可以看出當5個樣品的形變小于0.5%時，損耗因子確實沒有發(fā)生明顯變化，與上述推論相符。其原因是在這一形變范圍內，聚合物內部分子鏈之間僅發(fā)生彈性形變（即可將外力對薄板所做的功儲存起來），而沒有發(fā)生相對滑移，分子鏈之間無內耗，因此，損耗因子無明顯變化；當形變量大于0.5%時，5個樣品的損耗因子曲線都向上漂移，這是因為隨形變量的增大，外力對薄板做的功超出其彈性形變的儲能范圍，多余的能量導致其分子鏈之間發(fā)生相對滑移并消耗部分能量，內耗增多，損耗因子變大。

圖5　不同形變量對薄板的損耗因子的影響Fig.5 Influence of deformation on loss factor of panels

2.3碳纖維取向角對損耗因子的影響

圖6為薄板中碳纖維取向角度對損耗因子的影響示意圖，從中可以看出碳纖維取向角度對損耗因子有較大的影響。在保持樣品長寬比不變的前提下，1#～7#樣品的損耗因子隨碳纖維取向角度的增大而依次增大。這是因為纖維增強材料在某一方向上的模量主要由其中的纖維在該方向上的分量提供［12］，當薄板中碳纖維取向角度變大時，材料在豎直方向上的儲能模量E′變小，當外力對薄板做同樣多的功時，彈性形變儲存的能量變少，多余的能量使得聚合物分子鏈之間的內耗增多，損耗因子隨之變大。

圖6　薄板中碳纖維取向角對損耗因子的影響Fig.6 Influence of different carbon fiber orientations on loss factor of panels

2.4測試值與理論值的對比

Adams和Bacon在1973年曾提出一個基于復合材料纖維取向來計算損耗因子的理論模型［8］，見公式（1），該模型對纖維呈單向取向的薄板在發(fā)生微小振動時的計算結果是十分精確的。

式中：Ψ表示材料的阻尼性能，Ψ=2πη；S11為從材料受力軸線方向上導出的一組柔度矩陣；ΨT和ΨLT分別表示材料在橫向和剪切力方向上的阻尼性能；ET和GLT分別表示材料在橫向和剪切力方向上的模量。

圖7為7個樣品采用公式（1）計算出的損耗因子與實際測試結果的擬合曲線對比圖，從中可以看出二者無明顯差別。表明本實驗的測試結果符合理論值，因此在日后的材料設計及制備中可以為相關人員提供數據依據。

圖7　損耗因子測試值與理論值對比Fig.7 Comparison of loss factor between theoretical value and test value

3　結 論

通過對7塊具有不同碳纖維取向角聚氨酯基復合材料薄板進行靜態(tài)和動態(tài)力學性能測試，考察了薄板的形變速率、形變量及碳纖維取向角對損耗因子的影響。結果發(fā)現：

（1）當薄板的形變速率小于0.4%/s時，樣品的損耗因子未發(fā)生明顯變化；當形變速率大于0.4%/s時，樣品的損耗因子隨形變速率的增大而增大。

（2）當薄板的形變量低于0.5%時，損耗因子無明顯變化；而當形變量高于0.5%時，薄板的損耗因子隨形變量的增大而增大。

（3）薄板中碳纖維的取向角越大，損耗因子也越大。為驗證上述結論，將所有樣品的測試數據與理論模型的計算數據進行對比，發(fā)現兩條擬合曲線十分吻合，表明本實驗的測試數據及測試方法可以為用聚氨酯基碳纖維復合材料制備高爾夫球桿的可行性提供數據參考。

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Influence of Carbon Fiber Composite Material on Damping Performance of Golf Clubs

XU Li-gong， JU Ming-jie
（School of Sports Science and Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

A series of composite panels were prepared by laboratory-made two-component polyurethane matrix resin and T700 carbon fiber were used to study the factors affecting the damping performance of golf clubs.The results of static and dynamic mechanical properties demonstrated that their damping performance didn’t change significantly when the deformation quantity was less than 0.5%and the strain rate was less than 0.4%/s.In addition，damping performance was significantly affected by the orientation degree of carbon fibers.The experimental results agree quite well with those calculated by theoretical model，which provides reference for preparation of golf clubs by carbon fiber composite based on polyurethane resin.

damping performance；carbon fiber composite material；dynamic mechanical properties

TB332

A

1006-3080（2016）01-0054-04 DOI：10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.01.009

2015-11-04

徐立功（1971-），男，安徽歙縣人，副教授，碩士，研究方向為體育經濟、產業(yè)、材料。E-mail：xuligong@ecust.edu.cn