碳纖維復合材料對塑膠健身器材抗壓縮變形性能優化研究

喬亞軍

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710077）

隨著大眾生活水準逐漸提升，大眾對于健康方面的重視程度也在不斷提高。在空閑時，人們一般會在健身房，亦或在其他體育場鍛煉身體，促使體育健身器材行業發展速度異常迅猛。建設健身場所和體育場所過程中需要的器材數量陸續增加，傳統的健身器材一般以普碳鋼為主，具有代表性的材料型號為Q235A、Q195，但是普碳鋼防水性能較差，易被腐蝕；在太陽照射下，器材的使用壽命會縮短，當維修人員修復不及時，將會影響健身者的健身體驗，甚至帶來一定危險[1-2]。綜合考慮上述問題，塑料復合型材料出現在大眾眼前，其中，碳纖維與玻璃纖維是最具代表性的材料，然而大眾對此種新型健身材料并不熟悉，因此對其消費需求不高。但是塑料復合材料整體質量與工藝受到國際認可，與傳統健身器材相比，其使用壽命相對較長，抗磨損性能強，經濟效益和生態效益非常可觀。

碳纖維復合材料作為一種無機高分子纖維材料，應用范圍非常廣泛，在很多方面可以作為金屬的替代材料，和金屬材料質量相比，質量較輕，但強度并沒有因質量的減小而降低，相反其比一般金屬材料強度要高[3-4]。當前，健身器材使用的材料主要為復合型材料，其中碳纖維復合型材料占據了非常大的比例。本文對復合型材料在塑膠健身器材抗壓縮變形方面的應用進行研究。

1 碳纖維復合材料對塑膠健身器材抗壓縮變形性能優化

1.1 復合材料特性分析

復合材料也被稱為高性能組合型材料，通常是利用物理或化學方式把幾種性質存在差異的材料進行合成，以此獲取材料合成后的新性能，由于合成材料具備所有參與材料的特性，故其性能較好[5-6]。

從材料結構層面觀察，復合型材料根據基體與增強材料構建而成，應用到復合材料中的各種增強型材料包含玻璃纖維材料、碳纖維材料和石棉纖等。與傳統健身器材材料相比，塑料復合型材料具備十分突出的優越性，其優越性主要表現在密度小、質量輕、使用壽命長、易成型、安全等級較高以及優異的力學性能。

（1）復合材料密度小和質量輕

復合材料化學結構相對特殊，密度較小，具備輕型化性質。健身器材主要功能是提高鍛煉人員的體能水準，大多數器材質量較大，健身者在進行運動時，推動健身器材進行運動，傳統材料在舒適程度方面無法滿足健身者[7-8]。相比質地較輕的鍛煉器材會輔助鍛煉人員發揮出更好的水準，以此來提升健身者的滿意度。該特點針對中老年人來說更加適用，具備輕質地的鍛煉器材能夠更好的和該類型人群相匹配，同時該材料在后續維護過程中難度比較小，易于維修。

（2）復合型材料力學性能

復合型材料具備良好的拉伸性能，在彈性模量和柔韌性等方面均表現出了良好的應用性能，比金屬材料更為優越。

（3）復合型材料使用壽命長

較多健身器材對使用環境有著很高的要求和標準，一些健身器材材料要承受持續性載荷，一些健身器材要長期處于陽光和雨水下遭受侵蝕。塑料復合型材料能夠高效抵御各種類型的不良影響，抗腐蝕能力較強，承受載荷較大。目前以復合型材料為主的塑料地板已經廣泛應用于各個體育健身場所，例如羽毛球場地、排球場地等。塑料地板應用如圖1 所示。

圖1 塑料地板應用Fig. 1 Application of plastic floor

（4）復合型材料的成型工藝優勢

復合型材料成型時使用的工藝方法非常多，其中比較典型的包含注塑成型和模壓成型。把塑料復合型材料應用至比較復雜的健身器材中，可以充分發揮出器材的可塑性特征，該項技術已經日趨成熟，容易實現量產目標。隨著成型技術不斷持續發展，新型成型工藝也層出不窮，其中最具代表性的為真空成型和纏繞成型。

（5）復合型材料安全等級高

通常情況下，金屬材料如果經過長時間的使用，由于長期的破壞，容易產生安全事故。與之相比，復合型的材料具備輕質化特點，安全級別較高。在使用中，纖維復合型材料的應用最具代表性，其在局部受到破壞時，也不會對器材整體造成不良影響，能夠高效防止意外發生。

1.2 復合材料在健身器材優化中的體現

健身設施與器材種類非常多，其中大部分會使用塑料復合型材料。圖2 為較為常見的復合材料在健身器材優化中的體現。

圖2 復合材料在健身器材優化中的體現Fig. 2 Embodiment of composite materials in fitness equipment optimization

（1）水上健身運動設施

水上運動設施即為船，船體制作過程中關于材料的選取要求具備高強度和剛度，故一般選用纖維增強塑料。部分高性能纖維材料能夠進一步提升材料強度與比模量，如碳纖維復合材料。增強材料選取中主要包含玻璃纖維和碳纖維等。在沖浪板和滑水板等器材中，外層使用的主要是纖維增強塑料與聚氨酯泡沫結合下的復合型材料，內層為乙烯基樹脂與聚氯乙烯相結合的材料。

（2）球類健身運動設施

常見的球類包含高爾夫球和棒球以及各種類型球拍等。其中高爾夫球主要使用發泡離子樹脂，其球棒使用碳纖維塑料等相結合的復合型材料。除此之外，纖維增強材料還能夠制作壘球棒，當前性能比較優越的壘球棒一般選擇硬質聚氨酯泡沫與玻纖增強型的塑料結合制成，可有效減輕球棒質量，還能夠提升球棒使用壽命[9]。

球拍制作過程中會使用到復合型材料，當前高檔球拍使用碳纖維復合型材料。球拍使用時會受到來自于外界因素影響，要保障球拍擁有了良好的彎曲強度，還要保障球拍可以具備優異的強度以及扭曲剛性。

（3）滑板類

滑板主要組成部分為支架、輪子和板體等。其中板體材料為橡膠、黏土以及金屬組成，當前采用主要材料為聚氨酯材料。在輪子設計中，利用對聚氨酯用量進行控制實現硬度控制，應用至不同路面。利用聚丙烯與聚碳酸酯結合制作塑料板面，這兩種材料自身力學性能以及強度能夠滿足板面在一定載荷作用時不輕易變形。

（4）自行車

當前制造自行車時，采用大規模塑料和其他復合材料，使自行車性能得到很大的提升，且車身質量減輕。復合材料在自行車制作中的應用可以劃分成兩個方向：其一是利用樹脂基復合型材料實現自行車附加值的有效提升，并減輕車身的質量；其二是根據熱塑性塑料實現微型自行車部件的制作。

（5）運動場與跑道

當前運行場地的塑膠跑道與地板正日漸替代水泥地，體育場、學校等地均已廣泛使用塑膠材料。其中塑膠跑道具備減震性能、防滑性能等優勢。塑膠跑道主要構成部分如圖3 所示。

圖3 塑膠跑道主要構成部分Fig. 3 Main components of plastic runway

除此之外，改性的聚氨酯材料應用至跑道中具備低毒性，對生態環境較為友好，納米改性聚氨酯具備非常好的強度與彈性，具備優異的耐老化與耐磨性，可以改善拉伸強度與斷裂伸長性能，耐熱和阻燃等性能非常優越。

（6）撐桿

傳統撐桿的材質多為木質材料，盡管具備比較高的強度，但其彈性較差。在20 世紀60 年代，撐桿制作過程中采用尼龍材料，其具備較高的韌性以及較輕的質量，應用性能良好。將玻璃纖維增強尼龍應用至撐桿制作中，提高了撐桿彈性。在高性能纖維材料不斷發展和創新的背景下，碳纖維復合材料逐漸替代了玻璃纖維，成為性能最佳撐桿材料[10]。其中，碳纖維復合材料制作的撐桿具備很強的彈性形變性能，且儲能優勢十分顯著，彈性勢能向動能轉化速度快，能夠幫助鍛煉人員得到優異成績。

2 塑膠健身器材抗壓縮變形性能優化

為了體現塑膠健身器材抗壓縮變形的優勢，本文從碳纖維復合材料彈性模量入手對其進行優化處理。影響碳纖維復合材料性能的因素主要分為兩類。一類為碳纖維復合材料中每一份材料常數; 另一類為碳纖維復合材料內部結構特征，主要包括內部增強相外貌特征 、類別等特征。

假設在碳纖維復合材料的形變過程中其具備相同的應力，其等效彈性模量為：

式（1）中，彈性模量為 M,μ，代表定值常量， Ra,Rb均代表碳纖維復合材料中成分的體積分數。

碳纖維復合材料在塑膠健身器材抗壓縮變形性能中通過碳纖維材料的平均應力、應變展現。

假設碳纖維復合材料的平均應力、應變分別為和，則碳纖維復合材料的平均應力、應變通過式（2）、（3）進行計算，即：

式（2）、（3）中，k 表示碳纖維復合材料熱膨脹系數，l 表示彈性本構參數，v 表示碳纖維復合材料的最大應力范圍。

碳纖維復合材料的壓縮形變通過式（4）進行計算，即：

式（4）中， h0為碳纖維材料的原始厚度，mm ; h1代表去除壓力后碳纖維材料恢復后的厚度，mm ; hn代表大面積碳纖維材料的厚度，mm 。

通過對上述碳纖維材料的應用以及其內部結構分析，完成了碳纖維復合材料對塑膠健身器材抗壓縮變形性能優化研究。

3 實驗結果與分析

為了驗證碳纖維復合材料對塑膠健身器材抗壓縮變形性能優化效果，針對碳纖維增強樹脂基材料的耐腐蝕、力學性能方面對材料的抗壓縮變形性能進行驗證。

3.1 實驗材料及過程

該實驗所需材料包含Ca(OH)2、NaOH、NaCl 和KOH，使用的儀器為電子天平等。實驗步驟為：稱118.5 g 的 Ca(OH)2，0.9 g 的 NaOH，4.2 g 的 KOH 以及35 mL 的NaCl 溶液在1000 mL 的去離子水中相溶，將其分成三份，將三組材料浸泡于混合液中28 天，約間隔一周檢驗一次，檢驗其腐蝕性能。實驗選取碳纖維增強樹脂基材料BQ-Y-P-1.5K-025，長度與寬度值為250 mm×20 mm。實驗中需要的儀器包含微型測力傳感器、位移傳感器、沖擊測試機器和萬能測試機等，檢驗材料的力學性能。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 耐腐蝕性實驗

在上述實驗步驟設置后，對所選材料進行了分析，實驗結果見表1。

表1 碳纖維增強樹脂基材料耐腐蝕性測試結果Table 1 Corrosion resistance test results of carbon fiber reinforced resin based materials

分析表1 中數據能夠得到，碳纖維增強樹脂基耐腐蝕性能在4 周混合液浸泡下，產生了不同程度變化，其中主要檢驗氣泡與質量，其變化較小，證明防腐性能較強。

3.2.2 不同材料力學性能分析

對材料的拉伸性和沖擊性進行實驗，對比傳統方法所用材料與本文方法所用材料的力學性能，其中拉伸強度實驗結果如圖4 所示。

圖4 不同材料的拉伸強度對比Fig. 4 Comparison of tensile strength of different materials

分析圖4 可以看出，傳統材料的拉伸強度低于本文材料的拉伸強度。本文材料的拉伸強度最高可達約380 MPa, 傳統材料的拉伸強度最高可達約300MPa。驗證了本文方法所用材料性能更具優勢。

4 結論

傳統健身鍛煉器材中，均選用金屬、木質等材料，綜合性較差。塑料、復合材料應用逐漸廣泛，已經陸續替代了傳統材料，其不僅可以延長健身器材壽命，還可以減輕器材質量，保障健身器材的強度與剛度。本文針對纖維復合材料在各種塑膠健身器材中的應用，并通過計算復合材料的彈性模量以及應力等對其進行優化。實驗結果表明, 碳纖維復合材料對塑膠健身器材抗壓縮變形優化具有良好的應用性能，可靠性強，存在一定的優勢。