體育設(shè)施用碳纖維復合材料制備及其性能研究

薛 鑫

( 西安航空職業(yè)技術(shù)學院, 陜西西安710000)

在職業(yè)體育事業(yè)迅速發(fā)展形勢下，由全民體育到競技體育的轉(zhuǎn)變已經(jīng)愈發(fā)成熟，以此推動了我國體育運動事業(yè)及產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，而體育設(shè)施是保障體育運動開展的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)體育設(shè)施一般都是通過金屬或者木材等與塑料、橡膠搭配加以制作的，但是在體育設(shè)施設(shè)計領(lǐng)域不斷更新發(fā)展以及人們對于體育設(shè)施要求逐步提高的形勢下，傳統(tǒng)材料制作的體育設(shè)施由于過重、性能差、環(huán)保性差、危險性高等問題倍受詬病。而碳纖維材料以其自身獨特優(yōu)勢，即耐高溫、質(zhì)輕、不易變形、節(jié)能環(huán)保、安全性高等，深受體育設(shè)施設(shè)計領(lǐng)域青睞［1］。據(jù)此，本文針對體育設(shè)施用碳纖維復合材料進行了一定探究。

1 體育設(shè)施用碳纖維復合材料制備

1.1 原料

岱山飛舟新材料有限公司生產(chǎn)的碳纖維布；永泰磁業(yè)有限公司生產(chǎn)的釹鐵硼粉體；Huntsman 公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂和脂肪族多元胺類固化劑；恒球科技有限公司生產(chǎn)的石墨烯；天津天大試劑公司生產(chǎn)的丙酮、HNO3、無水乙醇；耀華試劑有限公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑。這些材料主要應用于碳纖維布增強-CH（O）CH-復合材料制備。

1.2 方法

碳纖維復合材料制備需要經(jīng)過五個階段［2］，即基于硅烷偶聯(lián)劑表面改性處理釹鐵硼；去膠處理碳纖維布；表面氧化處理碳纖維；石墨烯預處理；表面改性處理碳纖維，即硅烷偶聯(lián)劑與石墨烯雙重改性。

在制備碳纖維復合材料之前，需預清理干凈模具，然后針對內(nèi)表面進行涂膜劑涂覆，并風干處理。稱取定量釹鐵硼粉體，利用磁力攪拌機，混合攪拌釹鐵硼粉體與環(huán)氧樹脂3h，按照質(zhì)量比5：2 混合所獲得混合材料與固化劑，以得到混合樹脂。利用混合樹脂將碳纖維布浸潤之后，放置在風干模具中以手動方式平鋪三層。靜置12min 之后，上蓋壓實，同時將四周溢出的樹脂清理干凈。把擰緊并且壓實之后的模具放置在80℃的烘烤箱內(nèi)，保溫處理30min，然后在烘烤箱中自行冷卻，直到室溫狀態(tài)，然后取出碳纖維材料并進行鈍邊處理，以后續(xù)備用。

1.3 儀器

碳纖維復合材料性能測試所用儀器：永泰磁業(yè)有限公司生產(chǎn)的掃描電鏡進行碳纖維復合材料表面形貌觀察處理；德國MAGSYS 公司生產(chǎn)的充磁機進行碳纖維復合材料充磁處理；美國lakeshore 公司生產(chǎn)的磁通計進行磁通量測定。對40×20×2 mm 的碳纖維復合材料試樣進行性能測試［3］，充磁時設(shè)定首充電壓為800V，充磁電壓為2060V。

2 體育設(shè)施用碳纖維復合材料性能分析

2.1 基于硅烷偶聯(lián)劑的釹鐵硼顯微形貌

通過掃描電鏡［4］，基于硅烷偶聯(lián)劑的釹鐵硼處理前后顯微形貌如圖1 所示。

圖1 基于硅烷偶聯(lián)劑的釹鐵硼處理前后顯微形貌示意圖Fig.1 NdFeB treated with silane coupling agent before and after treatment

由圖1 可知，在未經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理之前，釹鐵硼粉體存在不規(guī)則形體，邊緣呈尖銳狀態(tài)，顆粒之間的間距也相對明顯，表面表現(xiàn)為光滑狀態(tài)，粗糙度偏小，在與環(huán)氧樹脂基體結(jié)合的時候，會出現(xiàn)一些細細的裂紋。而經(jīng)過硅烷聯(lián)偶劑處理之后，釹鐵硼粉體表面粗糙度顯著強化，且出現(xiàn)了褶皺，外表包裹了聯(lián)偶劑分子層，促使粉體與環(huán)氧樹脂基體之間的粘度增大，有效降低了出現(xiàn)裂紋的幾率。

2.2 改性前后碳纖維材料的顯微形貌

基于掃描電鏡，改性之后的碳纖維原絲，以及濃HNO3氧化后與石墨烯改性后的碳纖維材料顯微形貌具體如圖2 所示。

圖2 改性前后碳纖維材料的顯微形貌示意圖Fig.2 Carbon fiber before and after modification

由圖2 可知，碳纖維材料改性后的碳纖維原絲表面光滑，粗糙度低，會直接影響與環(huán)氧樹脂基體之間的有效粘結(jié)，且二者間受外力阻礙時，無法面向外界傳輸消息，且極易拔出碳纖維原絲；在濃HNO3氧化之后的碳纖維材料表面存在許多縱向溝槽，且相比碳纖維原絲，溝槽深度也較深，表面粗糙度也有所增強，在很大程度上提高了碳纖維材料比表面積，有助于碳纖維原絲和環(huán)氧樹脂基體之間順利黏結(jié)；在石墨烯改性之后的碳纖維材料表面存在大量片層，大多分布于溝槽之中［5］，這就說明在濃HNO3氧化之后與石墨烯改性之后，碳纖維材料表面的相互粘結(jié)力度增加，且二者不會彼此排斥，同時也在一定程度上增大了碳纖維材料與環(huán)氧樹脂基體之間的粘結(jié)。

3.3 基于不同硅烷偶聯(lián)劑含量的碳纖維復合材料磁通量

不同硅烷偶聯(lián)劑含量對于碳纖維復合材料磁通量的影響結(jié)果見表1。

表1 不同硅烷偶聯(lián)劑含量下碳纖維增強-CH(O)CH-復合材料的磁通量Table 1 Magnetic flux of carbon fiber reinforced -CH (O)CH- composites with different silane coupling agent contents

由表1 可知，硅烷偶聯(lián)劑含量為0% 時，磁通量只達到9.34mWb；硅烷偶聯(lián)劑含量在1～5% 時，磁通量則出現(xiàn)了一定程度的提高；且在硅烷偶聯(lián)劑含量不斷增加的趨勢下，復合材料磁通量呈現(xiàn)為先增加后減少的狀態(tài)，而在含量2% 時，復合材料磁通量最大；基于磁通量與磁性能間的正相關(guān)關(guān)系［6］可以得知，碳纖維復合材料磁性能在硅烷偶聯(lián)劑含量為2%時處于最佳狀態(tài)。

3.4 石墨烯改性后碳纖維復合材料的磁通量

基于25℃溫度，隨著釹鐵硼含量變化，石墨烯改性前后碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料的磁通量變化結(jié)果具體見表2。

表2 石墨烯改性前后碳纖維增強-CH（O）CH-復合材料的磁通量Table 2 Magnetic flux of carbon fiber reinforced -CH (O)CH- composites before and after graphene modification

由表2 可知，基于25℃溫度，在釹鐵硼含量逐步增加的趨勢下，石墨烯改性前碳纖維增強-CH（O）CH-復合材料的磁通量隨之增大，石墨烯改性后的磁通量也隨之增大，改性前后的變化趨勢大體一致。

基于125℃溫度，隨著釹鐵硼含量變化，石墨烯改性前后碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料的磁通量變化結(jié)果見表3。

表3 石墨烯改性前后碳纖維增強-CH（O）CH-復合材料的磁通量Table 3 Magnetic flux of carbon fiber reinforced -CH (O)CH- composites before and after graphene modification

由表3 可知，基于125℃溫度，在釹鐵硼含量逐步增加的趨勢下，碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料的磁通量呈現(xiàn)為不斷增大的狀態(tài)，而石墨烯改性前后對于碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料磁通量造成的影響并不顯著。

由表2 與表3 可知，釹鐵硼含量不同時，碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料處于25℃與125℃溫度下，其磁通量發(fā)生了一定改變，相較于25℃溫度，在125℃溫度時碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料磁通量出現(xiàn)了小程度下降，也就是在石墨烯改性后，碳纖維復合材料經(jīng)過125℃溫度處理之后，出現(xiàn)了退磁現(xiàn)象［7］。石墨烯改性前后碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料的退磁率見表4。

表4 石墨烯改性前后碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料的退磁率（%）Table 4 Demagnetization rate of carbon fiber reinforced -CH(O) CH- composites before and after graphene modification

由表4 可知，基于不同釹鐵硼含量，相較于石墨烯改性前，碳纖維增強-CH（O）CH- 復合材料在石墨烯改性后的退磁率明顯較小，這就表明釹鐵硼含量對于碳纖維復合材料的退磁率存在一定程度上的抑制作用。但是總體來講，石墨烯改性前后，碳纖維復合材料的退磁率都嚴格控制于5%之內(nèi)，磁性與穩(wěn)定性都表現(xiàn)良好。

3 碳纖維復合材料在體育設(shè)施中的實際應用分析

3.1 球拍類

球拍類體育設(shè)施中的網(wǎng)球拍與羽毛球拍最為常見，利用碳纖維復合材料制成的球拍，可保證球拍具備良好延展性、抗擊打性、防震性、摩擦力［8］，可避免出汗之后打滑，影響發(fā)揮。而且在運動過程中，球和球拍接觸時會發(fā)生震動，碳纖維復合材料可降低震動力，利于運動員評估球的運動軌跡，以選擇最佳角度與力度，穩(wěn)定擊打球體。

3.2 桿棒類

桿棒類體育設(shè)施中常見的有高爾夫球棒與撐桿，其需具備強大的彈性。高爾夫球棒以碳纖維復合材料的纏繞成型工藝制成，可確保其高彈性特征，以延長運動員擊球時間和距離；撐桿以碳纖維復合材料的注塑成型工藝制成，可確保其耐用性與質(zhì)輕等特征。

3.3 健身板類

滑雪板與帆船板等屬于體育健身板類設(shè)施，要求具備較高減震性［9］。滑雪板需就運動員體重實際情況，具有充足的強度，且在比賽過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作或者發(fā)生震動時，可以具備足夠穩(wěn)定性與減震性，以碳纖維復合材料制備的三維夾心結(jié)構(gòu)滑雪板穩(wěn)定性與減震性十分突出，在比賽過程中可為運動員節(jié)省力氣。帆船板屬于水上運動項目，需要運動員不斷加快帆船速度，才可獲得較好成績，這就要求帆船板必須具備質(zhì)輕與耐腐蝕特征，通過碳纖維復合材料的模壓成型工藝制成帆船板，其不僅密度低，且耐腐蝕性高，可確保比賽過程中運動員更為輕便。

3.4 自行車

碳纖維材料在自行車領(lǐng)域的原始應用主要體現(xiàn)在碳纖維管與鋁合金接頭粘接上，以此生成的自行車車架更為輕便，強度更高［10］。在20 世紀80 年代到今天，碳纖維復合材料制成的自行車早已取代了金屬材料制成的自行車，由車架到車前叉、后叉、車踏板、輪圈等都可利用碳纖維復合材料加工制造，其所生成的自行車不僅質(zhì)輕，且輕便高強。

4 結(jié)論

針對體育設(shè)施制備了碳纖維復合材料，并進行了性能測試，結(jié)果表明：經(jīng)過硅烷聯(lián)偶劑處理之后，釹鐵硼粉體表面粗糙度顯著強化，且出現(xiàn)了褶皺，外表包裹了聯(lián)偶劑分子層，促使粉體與環(huán)氧樹脂基體之間的粘度增大，有效降低了出現(xiàn)裂紋的幾率；在濃HNO3氧化之后與石墨烯改性之后，碳纖維材料表面的相互粘結(jié)力度增加，且二者不會彼此排斥，同時也在一定程度上增大了碳纖維材料與環(huán)氧樹脂基體之間的粘結(jié)；在硅烷偶聯(lián)劑含量不斷增加的趨勢下，碳纖維碳纖維復合材料磁通量呈現(xiàn)為先增加后減少的狀態(tài)，而在含量2% 時，復合材料磁通量最大，基于磁通量與磁性能間的正相關(guān)關(guān)系可以得知，碳纖維復合材料磁性能在硅烷偶聯(lián)劑含量為2%時處于最佳狀態(tài)；釹鐵硼含量不同時，碳纖維復合材料處于25℃與125℃溫度下，其磁通量發(fā)生了一定改變，相較于25℃溫度，在125℃溫度時碳纖維復合材料磁通量出現(xiàn)了小程度下降，即在石墨烯改性后，碳纖維復合材料經(jīng)過125℃溫度處理之后，出現(xiàn)了退磁現(xiàn)象；基于不同釹鐵硼含量，相較于石墨烯改性前，碳纖維復合材料在石墨烯改性后的退磁率明顯較小，這就表明釹鐵硼含量對于材料退磁率存在一定程度上的抑制作用。