碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性及其在體育器材中的應(yīng)用

劉 冬 ,謝 佳

(新疆工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830000)

碳纖維屬于無(wú)機(jī)高分子纖維材料，其含碳量高于很多同等類型的其它材料[1-3]。與鋁相比，碳纖維的質(zhì)量更輕，但強(qiáng)度更大，甚至大于鋼的強(qiáng)度[4]，其產(chǎn)品形式包括四種[5-7]：第一種是纖維；第二種是布料，也就是由碳纖維制成的織品；第三種是預(yù)浸料坯，即按照固定的方向，將碳纖維依次排列，并用樹(shù)脂浸漬碳纖維或布料，使其轉(zhuǎn)化為片狀形態(tài)；第四種是切短纖維，又稱短絲。在應(yīng)用中按照相應(yīng)的配比將這些材料與樹(shù)脂融合在一起，也就形成了CFRP。目前大部分體育器材使用的材料為復(fù)合材料，而CFRP 在各種復(fù)合材料中更是首選[8-9]。當(dāng)前已有多個(gè)案例中出現(xiàn)使用新材料來(lái)提高競(jìng)賽中體育器材的性能，從而提高體育競(jìng)賽成績(jī)的現(xiàn)象[10]。

1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為體育器材的優(yōu)勢(shì)

1.1 質(zhì)量

從體育器材的運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)說(shuō)，大體上可以分為兩類：一類是借助人力運(yùn)動(dòng)的器材，比如撐竿、網(wǎng)球拍、自行車、皮劃艇等；另一類是借助其它動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的器材，比如賽車、帆船等。無(wú)論是哪一類器材，當(dāng)其它條件一致時(shí)，器材質(zhì)量越輕，運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)越快，比賽結(jié)果也會(huì)相對(duì)更好。碳纖維復(fù)合材料的密度僅為1.76g/cm3～1.80 g/cm3，所制復(fù)合材料密度為1.50g/cm3～1.60 g/cm3，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它金屬材料，因此CFRP 的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)得以呈現(xiàn)。

1.2 阻尼性能

碳纖維材料的聚合物黏彈性較強(qiáng)，基體和界面上有微裂紋和脫黏的地方還存在摩擦力，這些摩擦力和黏彈性使得部分動(dòng)能在振動(dòng)過(guò)程中逐漸轉(zhuǎn)為熱能。因此，與鋼和鋁合金相比，CFRP 的阻尼更大，在特定措施下，還能進(jìn)一步加大阻尼。

1.3 破損安全性

在基體作用下，當(dāng)沿著纖維方向?qū)μ祭w維復(fù)合材料施加拉力時(shí)，各纖維的應(yīng)變基本一致。由于基體傳遞應(yīng)力，已經(jīng)斷裂的纖維只有斷口處失去功能性，其它大部分的纖維仍然可以正常使用。也就是說(shuō)，在個(gè)別纖維斷裂后，不會(huì)引起后續(xù)的連鎖反應(yīng)，不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的急劇性破壞，因此碳纖維材料具有較強(qiáng)的破損安全性能。

1.4 熱膨脹性

在室溫環(huán)境下，碳纖維的熱膨脹系數(shù)基本上為負(fù)值；在200℃～400℃的環(huán)境下，其熱脹系數(shù)為0；在1000℃的環(huán)境下，其線膨脹系數(shù)為1.5×10-6K-1。

1.5 疲勞強(qiáng)度

碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)比其它材料穩(wěn)定性更強(qiáng)。通過(guò)百萬(wàn)次循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼材復(fù)合材料的強(qiáng)度保留率只有40%，鋁材只有30%，而碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度保留率高達(dá)60%，這也是碳纖維復(fù)合材料制成的體育器材擁有更長(zhǎng)壽命的重要原因。

1.6 比強(qiáng)度和比模量

碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度分別是杉木材料的4 倍、梧桐木的3.4 倍、鋼材的7～12 倍；比模量分別是杉木的3 倍、梧桐木的4.4 倍、鋼材的3～5 倍。在高比強(qiáng)度和高比模量特性下，碳纖維復(fù)合材料比其它材料更適合用來(lái)制造質(zhì)量輕而強(qiáng)度大的制品，尤其在體育材料的制造中更具優(yōu)勢(shì)。

1.7 設(shè)計(jì)自由度

復(fù)合材料成型技術(shù)的應(yīng)用增加了設(shè)計(jì)自由度。纖維復(fù)合材料具有各向異性，在這一特點(diǎn)下，纖維鋪疊方向和方式的改變可以在局部上增強(qiáng)某一方向的受力狀況，從而使體育器材的作用和應(yīng)用價(jià)值得到充分發(fā)揮。這也是CFRP 與其它同類型金屬材料相比的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2 產(chǎn)品形式與成型技術(shù)

CFRP 在合理的設(shè)計(jì)下可以整體成型，從而省掉很多組合型架和裝配型架，節(jié)約成本支出。在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下，體育器材的成型方法多種多樣。

纏繞成型：在專門的纏繞機(jī)上，將預(yù)浸料坯均勻纏繞在轉(zhuǎn)動(dòng)芯模上，通過(guò)固化、除去新模來(lái)獲得最終的制品。這種方法一方面在圓柱體、球體等簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)體的制造中較為適用，另一方面也適用于非旋轉(zhuǎn)體部件的制造。其成型特點(diǎn)是根據(jù)制品的受力情況，將纖維按照一定規(guī)律進(jìn)行排布，使纖維強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，最后得到質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的制品；從工藝上來(lái)說(shuō)，纏繞成型技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化、機(jī)械化的生產(chǎn)，且能縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)成本。這種方式也有一個(gè)缺點(diǎn)，即制品固化后需要把芯模除去，在凹曲表面制品的制造中適用性較低。高爾夫球桿和釣魚(yú)竿的制造可以使用這種方式。

拉擠成型：拉擠成型技術(shù)主要用于纖維復(fù)合材料型材的連續(xù)生產(chǎn)。拉擠指的是在外力牽引下，纖維束或帶狀織物經(jīng)過(guò)浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長(zhǎng)切割等工藝，制成橫截面具有特定形狀、長(zhǎng)度不受限制的線型制品的方式。借助有一定截面形狀的成型模具，拉擠技術(shù)將已經(jīng)經(jīng)過(guò)浸漬的連續(xù)纖維在模腔內(nèi)固化成型，或者在模腔內(nèi)凝膠、出模加熱固化，在牽引機(jī)械拉力作用下，引拔出的型材制品沒(méi)有長(zhǎng)度限制。這種工藝流程較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高；在運(yùn)用拉擠法制備制品時(shí)，增強(qiáng)纖維沿著軸向平行排列，能使其強(qiáng)度得到有效利用；采用纖維氈增強(qiáng)材料能夠制備各項(xiàng)同類型制品；編織帶的使用可以增強(qiáng)制品橫向強(qiáng)度。此外，拉擠制品還具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、便于裝飾等優(yōu)勢(shì)，更為其在不同類型體育設(shè)施中的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。

RTM 成型：RTM 即樹(shù)脂傳遞模塑，在復(fù)合材料的成型中較為常用。這種技術(shù)是將纖維或預(yù)成坯鋪放在密閉模腔內(nèi)，在壓力作用下將樹(shù)脂液注入到模腔，浸透纖維或預(yù)成型坯，之后進(jìn)行固化，脫模成型制品。該項(xiàng)技術(shù)在復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的制造中更為適用，比如高精度、低孔隙率等材料，不需要膠衣樹(shù)脂，也可以保持表面的光潔；同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期短，能夠節(jié)約時(shí)間成本；RTM 模具和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)相對(duì)便捷，可以通過(guò)CAD 技術(shù)完成，且對(duì)于材料的選擇沒(méi)有局限性；RTM 成型的構(gòu)件與管件能夠?qū)崿F(xiàn)局部增強(qiáng)；RTM 成型過(guò)程中揮發(fā)程度低，能降低對(duì)周圍環(huán)境的破壞程度。當(dāng)前主要在自行車和劃艇主體部分的批量生產(chǎn)中使用RTM 技術(shù)。

模壓成型：模壓成型工藝是在封閉的模腔內(nèi)，通過(guò)加熱和壓力固化成型復(fù)合材料制品的方法。模壓成型的模具包括陰、陽(yáng)兩部分，增強(qiáng)材料通常為短切纖維氈、連續(xù)纖維氈和織物。這種方式的生產(chǎn)效率較高，制作尺寸誤差小，表面光潔，在大批量的制品制造中較為適用，同時(shí)適用于精度和重復(fù)性要求較高的制品。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品，運(yùn)用模壓成型技術(shù)可以一次成型，不需要再進(jìn)行車、刨等可能會(huì)對(duì)制品性能造成損害的輔助加工，由此制出的產(chǎn)品外觀和重復(fù)性較好。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是在模具設(shè)計(jì)和制造中有較高的復(fù)雜性，且初期投入成本較高，對(duì)設(shè)備有一定要求。

3 應(yīng)用實(shí)例

碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度與構(gòu)建自重成反比關(guān)系；其比模量則與構(gòu)建剛度成正比關(guān)系。結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到體育器材的制造中，能夠使體育項(xiàng)目的成績(jī)得到顯著提高。

3.1 撐竿

撐竿跳一直是奧運(yùn)會(huì)比賽的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目。最初的撐竿是由山胡桃木制作而成，既沉重又缺乏彈性，儲(chǔ)能性質(zhì)較差，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能得不到充分利用，在這種材質(zhì)的撐竿下，撐桿跳高成績(jī)最高只有3.3m；隨后，木質(zhì)撐竿由竹竿替代，竹竿的中空特點(diǎn)使得其質(zhì)量輕便，有助于運(yùn)動(dòng)員助跑，同時(shí)竹竿的彈性較大，能較好地轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)員的能量；上世紀(jì)60 年代，尼龍撐竿開(kāi)始使用，很快玻璃纖維竿又取代了尼龍撐竿。在撐竿材料的優(yōu)化更新下，撐竿跳高的世界紀(jì)錄不斷被突破。當(dāng)前第四代撐竿的碳纖維復(fù)合材料性能更為優(yōu)越，不同部位的材質(zhì)可以根據(jù)撐竿受力的差異來(lái)設(shè)計(jì)。最新的碳纖維撐竿既可以保證撐竿的柔韌性，又可以避免撐竿斷裂，可以將運(yùn)動(dòng)員助跑的動(dòng)能向撐竿的彈性變形能轉(zhuǎn)變，當(dāng)撐竿所承受的壓力到達(dá)一定程度后，這部分彈性變形能得以釋放，再轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)員勢(shì)能，助力運(yùn)動(dòng)員飛躍橫桿。

3.2 自行車

當(dāng)前全民健身的時(shí)代背景下，自行車除了具有交通功能外，還成為了大眾健身、休閑和競(jìng)賽的一個(gè)工具。高檔自行車的車架構(gòu)、車輪及座位支架等部位都是用碳纖維復(fù)合材料制作而成，既增加了自行車外觀的美感，也增加了車體的剛性，并使車體具備良好的減振性能；車體的輕質(zhì)性能也有效增加了騎車的舒適性。在這些特性下，由碳纖維復(fù)合材料制造的自行車被廣泛應(yīng)用于各大競(jìng)賽中。此外，在體育用品中，游艇、摩托車零件、人力飛機(jī)、棒球球棒等都可以在制造中應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。

3.3 網(wǎng)球拍

網(wǎng)球拍在更新?lián)Q代過(guò)程中體積逐漸加大，而重量卻逐漸減輕。目前世界上的高檔和中檔網(wǎng)球拍的制作材料大部分是碳纖維復(fù)合材料。尤其是大型網(wǎng)球拍更需要用重量輕、高比模量和高比強(qiáng)度的材料來(lái)制成。與木質(zhì)網(wǎng)球拍相比，碳纖維復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍框能承受更強(qiáng)的網(wǎng)線拉力，在擊球時(shí)保持原有形態(tài)。同時(shí)，由于碳纖維復(fù)合材料具有良好的減振阻尼特點(diǎn)，既能夠提高運(yùn)動(dòng)員的舒適性，又能夠增加網(wǎng)球的初速度。

3.4 高爾夫球桿

20 世紀(jì)30 年代，美國(guó)的高爾夫球桿是鋼桿材質(zhì)；1972 年，美國(guó)開(kāi)始嘗試用碳纖維復(fù)合材料制造球桿，此后，碳纖維高爾夫球桿的數(shù)量不斷增加；1998 年，碳纖維高爾夫球桿的數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋼桿。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，高爾夫球桿可以分為握把、桿身和桿頭三部分，比起原來(lái)的鋼桿材質(zhì)，碳纖維球桿的重量減輕了10%～40%。根據(jù)能量守恒定律，在固定的質(zhì)量下，高爾夫球桿的桿頭重量大、桿身重量小時(shí)能夠提高揮桿速度，增加球運(yùn)動(dòng)的初速度。此外，碳纖維復(fù)合材料還具有高阻尼性質(zhì)，可以延長(zhǎng)擊球時(shí)間，使球運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)。

3.5 弓箭

對(duì)于射箭項(xiàng)目而言，優(yōu)化射箭用具的性能有助于提高射箭成績(jī)，而射箭用具性能的改善主要通過(guò)提高弓和箭的比彈性來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料制成的弓箭在全球各種材質(zhì)的弓箭質(zhì)量中首屈一指，其弓臂能承受的彎曲應(yīng)力可以達(dá)到50kg/mm2，能使箭的初速度達(dá)到最大，同時(shí)在最大程度上增加射程距離。此外，與玻璃鋼材料和金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有較強(qiáng)的耐疲勞性，能夠有效延長(zhǎng)弓臂的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其對(duì)體育領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，各國(guó)的體育競(jìng)賽某種程度上已經(jīng)成了科技的競(jìng)爭(zhēng)。在諸多體育項(xiàng)目中，人的體能已經(jīng)被激發(fā)到極限，只依靠良好的身體素質(zhì)和競(jìng)技技巧已經(jīng)很難保證比賽的成功，運(yùn)動(dòng)員之間也越來(lái)越需要高質(zhì)量體育設(shè)備的助力。因此在體育比賽中，比拼的不僅是人體生理極限的突破，還有體育器材的創(chuàng)新和進(jìn)步，而CFRP 材料憑借其質(zhì)量輕、阻尼性能好、破損安全性高、熱膨脹性低、疲勞強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)已在撐桿、自行車、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿和弓箭等體育器材領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價(jià)值。