基于HTA-P30碳纖維高新化工材料在體育器材中的應用與研究

李敬凱

（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

現代的競技體育是一項高標準、高科技的運動，為了能夠更好地發揮人們的實際水平、挑戰人類的極限，運動設備和體育器材的選擇有著很大的影響[1]。目前應用在體育器材中最廣泛的材料是碳纖維復合材料[2-4]。由于其具有較高的韌性、強度高、耐腐蝕等特點，使得其能夠大量地應用于高爾夫球桿、網球拍等體育設備中。

碳纖維材料是一種復合的材料。其原絲為瀝青、粘膠纖維和聚丙烯腈，經氧化和碳化作用最終形成的特種纖維[5-6]。碳纖維材料的主要特點是密度低、抗拉強度大、耐化學腐蝕和導熱率低[7]。可以按照不同的形態、力學性能和原絲的類型進行劃分[8]。本文以HTA-P30碳纖維高新化工材料作為研究對象，從其微觀形貌和聚合物產物的結構上分析其性能。

1 不同摻雜情況下碳纖維的彈性模量分析

對于碳纖維材料的性能來說，其彈性模量的大小很大程度上影響其使用功能。在應力作用下，理想的彈性材料受力會發生變形，其應力和應變滿足胡可定律公式[9]，即：

式（1）中：E、σ 、ε 分別為材料的彈性模量、應力和應變。

其中，應力和應變對應的模量參數為：

式（2）中：F、A0、lΔ 分別為材料所受的外力、受力面積和受力的長度變化；0l為材料的原始長度。

式（3）中：G為材料的剪切模量；τ和γ分別為材料的切應力和切應變，θ為偏斜角。

式（4）中：B為材料的體積模量；V0和VΔ分別為材料的原始體積和體積變化量;P為材料所受到的均布應力。

表1所示為摻雜不同的元素對碳纖維的彈性模量的影響。

表1 碳纖維彈性模量分析( GPa)Table1 Carbon fiber elastic modulus analysis

從表1中可以看出：當碳纖維中摻雜Al和Mg時，其彈性模量顯著增加。當材料的彈性模量越大時，其在受力的過程中越難變形。對于常見的體育器材來說，較好的剛度正好是其使用需要，故碳纖維應用于體育器材時常添加一些其他的元素來增加其彈性模量。

2 HTA-P30碳纖維高新化工材料性能

碳纖維材料具有高比強度、耐疲勞、彈性模量高等優點，使得其成為廣泛使用的增強材料。其中HTA-P30碳纖維材料已普遍應用于航天和體育運動等領域。普通的碳纖維材料在使用過程中由于其表明粘結性能差，不能與其他材料進行良好的結合，故一般都需要進行改進處理。為了能夠更好地發揮碳纖維材料的特性，普遍采用的方法有氧化法[10]、電聚合法[11]、等離子法[12]和電沉積法[13]等。經過這些方法的處理后，碳纖維表面的界面性能更好，并且最大程度上保持了碳纖維材料的原始性能。

2.1 HTA-P30碳纖維材料的微觀形貌

使用發射掃描電鏡對普通的碳纖維進行觀測，考察其表面的微觀形貌特征。如圖1所示為普通碳纖維的SEM照片。

圖1 普通碳纖維的SEM照片Fig.1 SEM photo of ordinary carbon fiber

從圖1中可以看出：普通碳纖維的表面較光滑，只有軸向的部分有部分小的溝槽。此溝槽是碳纖維在生產過程中摩擦作用和表面的膠水造成的。由于普通碳纖維表面過于光滑，與其他材料的粘結性能較差，不能表現很好的物理性能，故需要對普通的碳纖維材料進行加工處理。

圖2所示為HTA-P30碳纖維分別放大1000、3000倍的SEM照片，經過改良的HTA-P30碳纖維表面出現了明顯較深的溝槽，增加了其表明的粗糙度。

圖2 HTA-P30碳纖維的SEM照片Fig.2 SEM photo of HTA-P30 carbon fiber

研究選取的HTA-P30碳纖維材料基體為環氧/胺體系，其材料性能見表2。

表2 HTA-P30碳纖維材料性能Table 2 The properties of HTA-P30 carbon fiber material

2.2 HTA-P30碳纖維電聚合產物的結構分析

圖3為普通碳纖維和HTA-P30碳纖維的紅外光譜。從圖3中可以看出， 3440cm-1是普通碳纖維表面-OH振動吸收峰值。而HTA-P30碳纖維表面的水分已被處理,-OH吸收峰值不再明顯。經過改進后的HTA-P30碳纖維材料在2920cm-1、2850cm-1吸收的峰值明顯下降

圖3 碳纖維的紅外光譜：（a）普通碳纖維；（b）HTA-P30碳纖維Fig.3 Infrared spectrum of carbon fiber： (a) ordinary carbon fiber; (b) HTA-P30 carbon fiber

3 HTA-P30碳纖維在體育器材中的應用

3.1 在球類運動中的應用

碳纖維材料在球類運動中的應用非常廣泛。我們平常用到的羽毛球拍、網球拍和高爾夫球桿等都應用到了碳纖維材料[14]。同時，現代體育競爭對于體育器材的安全性能要求越來越高，在很多高標準的足球比賽和籃球比賽中，其球架和架框包括球門很多都利用了碳纖維材料。碳纖維由于其良好的彈性模量，使得其應用在球拍時能夠達到很高的減震效果同時還很輕便和舒適。不僅能夠在一定程度上提高運動員的競技水平，還能有效地激發人類的運動天賦。

原始的足球和籃球球架都是用的比較硬的材料，對于球類比賽來說缺乏一定的彈性性能，同時還增加了運動員受傷的風險。應用碳纖維材料不僅在強度上能夠保證，而且能夠確保運動員在沖擊狀態下的安全性能，讓人們更加放心地比賽。

3.2 在自行車生產中的應用

國際上的自行車賽車上有很多車輛都應用了碳纖維材料。其主要應用與車身的車架、車輪部位，這些部位應用碳纖維材料在很大程度上能夠降低車身的自重，增加運動員的舒適性，還能減少騎行過程中的阻力。同時，碳纖維應用于自行車還能讓人們能夠直接的接觸新型的碳纖維材料，為大眾了解碳纖維材料提供了一個很重要的通道。

3.3 在賽車中的應用

碳纖維材料應用于賽車上與自行車有著異曲同工的效果，與之不同的是碳纖維材料應用于賽車時需要結合一定的合金材料，從而能夠確保賽車有著可靠的強度[15]。另一方面，碳纖維與合金材料結合能夠在車輛發生碰撞時吸收大量的撞擊力，增加賽車的安全性能。現階段的賽車由于其獨特的比賽特性，還沒有能夠發現一種碳纖維復合材料來代替其他合金材料的應用。

4 結論

現階段的體育器材中應用復合材料越來越普遍，而碳纖維材料由于其優良的特性應用于體育器材非常廣泛。本文通過對碳纖維的彈性模量進行分析，表明了碳纖維材料的彈性模量能夠很好地適用于體育器材的要求。同時，HTA-P30碳纖維材料相對于普通碳纖維材料，其表面粗糙，有很明顯的溝槽，能夠很好的與其他材料進行結合發揮更好的性能。同時經過改進的HTA-P30碳纖維高新化工材料的化學性質更穩定，能夠保持復合材料的整體穩定性能。隨著體育器材的要求越來越嚴格，碳纖維材料也需要不斷的改進才能更好地適應整個社會的需求。