碳纖維復合材料體育器材裝備工藝優化與性能分析*

程玉柱

（西安理工大學高科學院，陜西西安 713700）

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）是一類碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體進行復合加工形成的增強結構材料的總稱[1]。隨著現代體育運動的發展，競技、健身、娛樂體育場景對器材和裝備的要求越來越高，以CFRP等材料最主要代表的新型材料將逐漸取代傳統體育器械、裝備中的金屬與木材部件，在充分提高器械性能的同時，充分優化器械、裝備的生產工藝。如利用CFRP取代傳統的F1賽車車身、車架，從而最大程度進行車身減重、增強車身剛性和強度；利用硬質聚氨酯代替一般溜冰鞋中的滑輪部分，充分提高鞋體耐磨性；利用層壓CFRP制作高爾夫球桿、網球拍骨架，降低裝備整重的同時有效提升了器械綜合力學性能等。

1 CFRP材料綜合性能優勢

CFRP材料屬無機高分子纖維材料，比強度、彈性模量等力學性能通常分別可以達到近1300MPa、160000MPa，且不同改性手段、方式加工而成的CFRP材料能夠具備不同的力學性能，用于不同種類運動器材、裝備的加工。當前體育器材加工領域應用較多的碳纖維復合材料樹脂及其主要物理特性見表1。

表1 體育器材CFRP典型材料及物理特性Table 1 Typical materials and physical properties of sports equipment CFRP

1.1 HTA-P30 碳纖維復合材料

HTA-P30 碳纖維復合材料基體為環氧/胺體系。李敬凱[2]針對不同摻雜情況下體育器材用HTA-P30 碳纖維復合材料彈性模量進行實驗分析，認為碳纖維材料普遍具備低密度性、較高的抗拉強度以及理想的彈性模量等；在摻雜Al 和Mg 時，能夠顯著提升HTA-P30 碳纖維復合材料的彈性模量。HTA-P30 碳纖維復合材料被廣泛應用于航空、醫療、體育等領域，經過氧化法、等離子法等進行處理后，HTA-P30有效避免了一般碳纖維材料表面粘結性能差等問題，界面性能更好，可以被廣泛應用于自行車、賽車等領域。

1.2 改性碳纖維增強環氧基復合材料

高鵬等[3]以NdFeB、KH550為主要添加物，針對影響碳纖維環氧樹脂復合材料的磁通量的核心因素進行分析，認為碳纖維增強環氧基復合材料在KH550含量為2%時能夠獲得最大磁通量；NdFeB 含量提升能夠微弱增強復合材料磁通量，但影響不明顯。碳纖維增強環氧基復合材料能夠克服一般金屬磁性材料在體育器材加工過程中脆而硬、難加工等問題，進一步優化體育器械、裝備的成型工藝，對于某些體育器械磁性材料使用有較高的可替換性。

1.3 CNT-PDA碳纖維復合材料

崔營[4]將多巴胺改性的碳納米材料與碳纖維、環氧樹脂材料進行反應，合成了體育器械用CNT-PDA碳纖維復合材料。該類型材料具有明顯優于一般金屬、非金屬材料的表面形貌和耐磨性能。同時，由于材料中添加了質量比為30%的聚四氟乙烯，極大地提升了體育器材的疏水特性，使碳纖維材料的應用范圍逐漸觸及各類型水上運動如帆船運動中的桅桿等。

2 CFRP體育器材加工工藝優化

2.1 CFRP體育器材典型成型方法

CFRP體育器材的具體加工方法與工藝需要根據不同體育器材、不同產品型號、不同目標人群進行針對性開發。同時，采用不同工藝加工而成的統一規格體育器材也有可能產生不同的綜合性能。根據具體的體育器材類型、形狀、性能要求等，合理地設計材料制備與成型工藝能夠顯著提升產品性能與生產效率，極大地降低體育器材、裝備加工過程中的生產設備復雜程度[5]。圖2所示為幾種典型的CFRP體育器械成型方法。

圖2 典型CFRP體育器械成型方法Fig.2 Typical molding methods of CFRP sports instruments

纏繞成型技術主要用于高爾夫球桿、棒球桿等“桿”類具有固定規格與特定形狀體育器材加工領域。在成型過程中將浸潤過樹脂材料基體后的碳纖維圍繞統一規格或形狀的模具進行成型固化，能夠保證加工完成的體育器材碳纖維排列方向完全符合體育器材使用過程中的受力狀態與方向。纏繞成型方式加工工藝簡單、易操作，但僅適合部分規格固定、形狀固定的體育器材。

橫壓成型技術易于實現自動化生產，對于某些生產量大、形狀較為規則的體育器材適用性較強，在成型過程中主要依賴模具對升溫熔融以后的材料進行施壓、冷卻、固化成型。橫壓成型技術生產效率極高，具有較強的可重復性，但復雜模具開模成本較高，可拓展性較差。

RTM成型技術可以對產品形狀進行高度定制設計，可以廣泛應用于自行車、賽車、帆船等產品形狀不規則、標準化程度低的體育器材加工領域。RTM成型技術成型方法，是將CFRP織物在模具中進行預成型，后將熔融狀態下的樹脂基體材料注入模具進行澆注最終通過常溫冷卻固化成型，得到復雜形狀體育器材部件。RTM成型技術具有較高的體育器材產品可定制性。

拉擠成型技術可以靈活控制碳纖維浸潤基體材料的量，從而獲得性能差異程度較高的體育器材。拉擠成型過程首先對碳纖維材料施加牽引力，之后將拉伸狀態下的碳纖維材料進行樹脂基體浸潤，隨后經過擠壓和加熱固化工藝得到最終的體育器械。通常拉擠工藝更適用于加工具有簡單規格與形狀的體育器械，如弓箭中的箭體、撐桿等。

2.2 CFRP體育器材成型工藝優化方法

2.2.1 熱壓罐工藝

熱壓罐成型工藝當前多用于航空航天復合材料成型加工領域，使用占比超過80%。利用熱壓罐工藝進行CFRP體育器材加工時，需要將預浸料按體育器材具體工藝鋪層要求放于模具上，利用真空袋將毛坯進行密封處理后放置于碳纖維熱壓罐中。保持熱壓罐內部處于真空狀態，經設備升溫→加壓→保溫→降溫→卸壓等工序實現固化，從而獲得某些表面與內部質量要求高、形狀復雜的體育器械碳纖維復合材料制件[6]。與傳統工藝相比，熱壓罐成型工藝能夠向預浸料提供足夠的壓力，保證對材料內部孔隙的充分抑制。熱壓罐成型工藝在體育器材領域中的應用將會集中在F1賽車、汽車拉力賽等造價充裕體育運動項目的復雜部件、主次承力結構部件生產中。

2.2.2 真空袋壓工藝

由于熱壓罐成型工藝成本較高，對于某些冷門項目或資金籌備較為困難的體育項目而言并不適用。因此科研人員研發出一種基于熱壓罐工藝的新型碳纖維成型技術——真空袋壓工藝。該工藝與熱壓罐最大的差異在于以固化爐代替了熱壓罐完成后期的固化工藝。固化爐造價遠低于熱壓罐，但無法形成高于一個大氣壓的內壓，因此想要獲得足夠高標準的產品孔隙率，需要對樹脂和預浸料進行工藝改良。劉佳[7]認為，半浸潤的預浸料能夠有效地提高氣體滲透性，將干纖維作為排出材料內部氣體的通道，在實現體育器材部件固化時充分排出卷入氣體。

2.2.3 預浸料吹氣模壓

為解決一般模壓成型無法加工中空部件的缺陷，臺灣省知名球拍企業率先發明并使用了預浸料吹氣模壓技術用于加工某些高端碳纖維羽毛球拍等。該工藝最初將預先填充的發泡劑放入模具中進行加壓，在熱水發泡后發泡劑產生一定的壓力將預浸料撐開最終定型[8]。然而由于該工藝加工而成的球拍在使用時存在噪音、重量無法控制等問題，在原有工藝基礎上開發了吹氣模壓工藝，并逐漸廣泛應用于各類型球拍、球棒、自行車零部件的加工領域。

2.2.4 卷管工藝

卷管工藝又名搓管工藝，是采用卷管機上的熱輥，使預浸料軟化熱卷成型的一種復合材料制品成型方法。卷管工藝多被用于生產方管、圓管、三角管等管類體育器材如釣桿、車架等。卷管機上的熱輥能夠軟化碳纖維預浸料，在一定的張力作用下，隨著熱輥轉動將預浸料連續卷到管芯上直至達到體育器材生產工藝的要求，然后通過冷輥冷卻定型取出，最后在纏繞熱收縮膜基礎上烤箱固化處理，去掉熱收縮膜和模具即得到體育器材待使用管材部件。

3 CFRP體育器材性能及其對體育運動的影響

3.1 撐桿跳

撐桿跳運動是最早納入奧林匹克運動會的正式比賽項目之一。最早的撐桿跳用桿以胡桃木材質為主，該類型材料韌性高、結實，但不具備較高的儲能性和彈性，運動員在進行競技時會浪費掉大量的動能，進而影響了撐桿跳運動員競技水平的提升，彼時撐桿跳最高成績為3.30米。1905年開始撐桿跳項目用桿改以竹類材料為主，以竹子加工而成的撐桿質量輕、中空，具有較好的韌性和彈性，能夠顯著提升運動員競技水平，最高成績達到4.77米，但竹子容易老化，老化后的撐桿韌性下降明顯，競技過程中易發生折斷現象影響運動員競技與人身安全。1948年美國設計制造出重量更輕、彈性更強的玻璃纖維竿，撐桿加工所使用的材質逐漸由竹竿過渡為聚酰胺再至玻璃纖維，撐桿跳運動世界記錄已突破了6米的高度。進入21世紀后撐桿跳運動已普遍開始使用碳纖維增強樹脂復合材料進行加工，最高成績已經達到了6.16米[9]。碳纖維增強復合材料具有更加優異的力學性能，能夠根據運動員不同的發力習慣進行不同的材質與成型工藝選擇，從而最大化提升撐桿性能。以碳纖維增強復合材料加工而成的撐桿耐用、輕盈、柔韌性異常優異，基本杜絕了以往竹竿、玻璃纖維桿等扭結或斷裂現象。同時碳纖維增強復合材料彈性形變能力優異，在被壓彎至最大弧度后能夠迅速將彈性勢能轉變為動能，幫助運動員騰空飛躍取得理想成績。

3.2 各類型球拍

羽毛球、網球運動所使用的球拍屬于非常常見的運動器材。20世紀70年代，日本某球拍加工廠家首次使用了CFRP用以替代傳統的木質、鋁合金材質球拍。隨著羽毛球、網球運動的普及和發展，CFRP球拍已經全面取代了職業競技運動中的金屬材質球拍，并逐漸占領了業余羽毛球、網球運動高端器材加工領域。CFRP材料主要用于加工球拍拍桿、拍框部位，實現了羽毛球拍的總體輕量化，球拍總重已低于100g[10]。CFRP球拍具有極強的可塑性、延展性、減振性能，同等規格的碳纖維網球拍能夠獲得比木質球拍高出50%的球拍面積，最大程度上提升網球運動中“甜蜜點”。同時，碳纖維材料本身質量較輕，比模量、比強度又遠高于一般木質或金屬材質，因而能夠在大型球拍加工過程中實現球拍輕量化的同時提升球拍整體強度，避免球拍出現變形。近年來已有部分廠家在加入了納米二氧化硅粒子的環氧樹脂中對碳纖維或碳纖維布進行預浸漬處理，得到了結構更加均勻的單向碳纖維增強片材，利用該類型片材加工而成的網球拍框實現了一體化設計，獲得了更高的拍框強度和耐用性能。

3.3 滑雪板

冰雪運動是一項在我國流行時間尚短但群眾喜愛程度較高的運動，其中滑雪板是冰雪運動應用最為廣泛的體育器材。滑雪板所使用的材質優劣、性能會影響人們的滑雪效果和人身安全。最初的滑雪板脫胎于雪橇，主要由木質材料加工而成，但木質材料在長期低溫、濕潤的環境下極容易被毀壞、發生形變；而后金屬材料逐漸取代了一部分木質材料用于加工各類型滑雪板，但金屬材料適應性差，長期滑雪運動會導致金屬材料腐蝕、磨損進而影響使用。CFRP的出現很好地解決了傳統金屬、木質材料重量大、可控性差、減振性能差等問題，使用CFRP加工而成的滑雪板韌性強、質量輕、彈性好，能夠為使用人員提供較好的保護功能。隨著綜合材料使用頻率的提升，如今滑雪板結構開始以碳纖維復合材料板材為基礎，輔以高強鋁合金、塑料以及PUR泡沫等材料加工而成。據相關研究成果表明，該類型滑雪板具有出色的扭曲和彎曲平衡性，人們使用過程中的滑行性與回轉性之間也達到了很高的匹配度。

4 結語

碳纖維復合材料（CFRP）因其質量輕、強度高、耐熱性好以及優秀的抗腐蝕與輻射性能，在航空航天、醫學、電磁領域的應用已較為廣泛。文章基于不同碳纖維復合材料性能優勢，對其在體育器材裝備加工領域中的應用工藝與性能優勢進行分析，以撐桿跳、羽網球拍、滑雪板等為例，對CFRP體育器材的性能優勢以及對該類體育項目的影響進行了總結。