體育器材用碳纖維織物的壓縮成型特性研究

吳飛龍

摘 要：針對體育健身器材用碳纖維織物的壓縮成型特性問題，本研究從碳纖維織物的編織方式和定型劑含量兩個方面，通過實驗研究了不同方式編織的兩種碳纖維織物，在壓縮過程中預定型織物的初始厚度、壓縮時間、松弛能力之間的關系，以及壓縮結束后其松弛率和回彈變形占比情況。實驗結果表明，壓縮過程中，兩種碳纖維織物的厚度均隨應力的增加而減小，應力均隨壓縮時間的增加而增加，壓縮時間均隨定型劑含量的增加而增大，松弛能力隨定型劑含量增加而增強。壓縮結束后，兩種碳纖維預定型織物的松弛率隨定型劑含量增加而逐漸增大，兩種碳纖維預定型織物的彈性回彈變形占比均逐漸減小，粘彈性回彈變形占比均逐漸增加，永久變形占比均增加。

關鍵詞：體育器材;碳纖維;定型劑;壓縮成型

中圖分類號：TQ342+.742 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0049-04

Abstract：In view of the compression molding characteristics of carbon fiber fabrics used in sports fitness equipment， this paper studies two carbon fiber fabrics woven in different ways from two aspects： the weaving method of carbon fiber fabrics and the content of setting agent. The relationship between the initial thickness of the fabric， compression time， and relaxation capacity， as well as the percentage of relaxation rate and rebound deformation after compression.. The experimental results show that during the compression process， the thickness of the two kinds of carbon fiber fabrics decreases with the increase of the stress， the stress increases with the increase of the compression time， the compression time increases with the increase of the setting agent content， and the relaxation ability increases with the increase of the setting agent content. After compression， the relaxation rate of the two kinds of carbon fiber preformed fabrics increases gradually with the increase of setting agent content. The proportion of elastic rebound deformation of the two carbon fiber preformed fabrics decreases gradually， the proportion of viscoelastic rebound deformation increases gradually， and the proportion of permanent deformation increases.

Key words：sports equipment; carbon fiber; setting agent; compression molding

碳纖維是一種由碳元素組成的有機纖維，具有耐高溫、高強度、高模量、導電、導熱等特性。目前，常見的碳纖維材料主要是由片狀石墨微晶通過碳化處理，并與聚碳酸酯進行復合得到的碳纖維復合材料，這種材料在眾多民用領域得到了廣泛的應用。在體育領域，這種材料常用于制作體育健身器材。然而在制造體育健身器材的碳纖維復合材料過程中，預定型工藝是決定碳纖維材料整體性能的關鍵工藝，但由于現代預定型工藝對預成型過程中使用碳纖維織物的編織方式和定型劑用量沒有統一標準，并且不清楚定型劑含量對壓縮成型過程中預定型產物的特性和回彈性的影響，故本研究選取日常生活中常見的2種碳纖維織物，定性、定量分析了織物的編織方式以及定型劑含量對碳纖維預定型織物成型的影響。

1 材料與方法

本研究實驗原料選用日常生活中常見的2種碳纖維織物cc-2t200、cc-p450;定型劑選用德國FCF006型定型劑;壓縮設備選用美國MTS-E45.110萬能材料試驗機。碳纖維物cc-2t200、cc-p450未加入定型劑前，基本的物理性質參數如表1所示，宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知，在進行壓縮之前，cc-2t200、cc-p450的紋路清晰，紋路形式分別為斜紋和平紋。

將含量為0%、4%、8%、12%的四種定型劑分別均勻地涂抹在碳纖維織物cc-2t200、cc-p450的表面，設置蠕變時間為30min，并以速度為1mm/min的壓縮速度進行預成型壓縮實驗。實驗過程中，采用GP-770B顯微鏡觀察碳纖維物外形，記錄不同含量的定型劑對碳纖維物的壓縮成型特性參數，標記定型后的碳纖維織物為cc-2t200-x、cc-p450-x。

2 結果與分析

2.1 預定型織物初始厚度分析

當分別向cc-2t200和cc-p450加入含量為0%、4%、8%、12%的定型劑后，cc-2t200-x、cc-p450-x兩種碳纖維預定型織物的初始厚度均隨著定型劑含量的增加而增加;同一定型劑含量下，cc-p450-x的初始厚度比cc-2t200-x的初始厚度更厚，其原因在于預定型織物的厚度既包括原始碳纖維織物cc-2t200-x、cc-p450-x的厚度，同時也包括定型劑厚度，因此含量越高的定型劑厚度越高，預定型織物的厚度也越高。

2.2 壓縮過程中預定型織物各曲線變化

壓縮過程中，得到預定型織物cc-2t200-x和cc-p450-x厚度-應力、壓縮應力-時間、壓縮時間、應力松弛變化等。

2.2.1 厚度-應力曲線

圖2為厚度與應力變化的曲線。開始壓縮時，碳纖維預定型織物cc-2t200-x、cc-p450-x兩者的厚度均隨應力的增加而急劇減小;壓縮到一定時間后，cc-2t200-x、cc-p450-x兩者的厚度均隨應力的增加而緩慢減小。

2.2.2 應力-時間變化曲線

由圖3可知，開始壓縮時，cc-2t200-x、cc-p450-x兩者的應力隨壓縮時間的增加變化不大;當壓縮到一定時間后，cc-2t200-x、cc-p450-x兩者的應力快速增加。另外，同一預定型織物在不同定型劑含量下，壓縮時間不同，當定型劑含量為0時，壓縮時間最短;當定型劑含量為12%時，壓縮時間最長，說明壓縮時間隨定型劑的含量增加而逐漸變長。

2.2.3 壓縮時間統計

由圖4可知，當加入不同含量的定型劑后，cc-2t200-x、cc-p450-x的壓縮時間均隨定型劑含量的增加而不斷增大;同一含量定型劑時，cc-p450-x的壓縮時間比cc-2t200-x的壓縮時間更長，其原因在于定型劑會使碳纖維之間產生黏附作用，導致壓力增幅降低，此外，定型劑的抗變形能力較弱，加入定型劑后預定型織物的整體抗變形能力減弱，故達到所需應力的時間更長。

2.2.4 應力松弛曲線

由圖5可知，當加入定型劑后，cc-2t200-x、cc-p450-x的標準應力變化趨勢相似，標準應力均隨時間的增加而逐漸減小。同一預定型織物，當定型劑含量增加時，其松弛能力逐漸增強。

2.3 壓縮結束預定型織物松弛率與回彈變形

2.3.1 松弛率變化曲線

不同織物種類松弛率變化如表2所示。

由表2可以看出，同一種預定型織物時，cc-2t200-x和cc-p450-x的松弛率均隨定型劑含量增加而不斷加;同一定型劑含量時，cc-p450-x的松弛率大于cc-2t200-x的松弛率，其原因在于定型劑對cc-2t200-x的束縛作用強于對cc-p450-x的束縛作用，故cc-2t200-x的松弛率小于cc-p450-x。

2.3.2 織物回彈變形統計

圖6為加入不同含量定型劑后預定型織物的回彈變形占比柱狀圖。由圖可知，當加入定型劑后，隨著加入定型劑含量增加時，cc-2t200-x與cc-p450-x的彈性回彈變形占比均逐漸減小，粘彈性回彈變形占比逐漸增加，永久變形占比增加。通過對比分析不同定型劑含量對回彈階段回彈變形占比的影響來看，當定型劑含量為4%的時候，定型劑的定型性價比最高，既可以達到預期的定型效果，同時又可以節約定型劑用量。

由于定型劑會抑制織物的回彈，因此預定型織物的彈性回彈占比會隨定型劑含量的增加而呈下降趨勢。同時，在預定型織物定型松弛結束后，仍然還有定型劑時，會消耗織物剩余的能量，導致織物的永久變形占比增加，織物的彈性回彈占比減小。

3 結論

（1）在加入定型劑之前，碳纖維織物cc-2t200與cc-p450的紋路清晰，分別呈斜紋和平紋。

（2）加入定型劑后，預定型織物cc-2t200-x和cc-p450-x的初始厚度均隨著定型劑含量的增加而增加。

（3）壓縮過程中，cc-2t200-x和cc-p450-x的厚度隨應力的增加而減小，應力隨壓縮時間的增加而增加，壓縮時間均隨定型劑含量的增加而增大，松弛能力隨定型劑含量增加而增強。

（4）壓縮結束后，預定型織物的松弛率隨定型劑含量增加而逐漸增大，當定型劑含量為0時，cc-2t200-x的松弛率最小;當定型劑含量為12%時，cc-p450-x的松弛率最大。通過對比分析可知，定型劑對cc-p450-x的松弛率大于對cc-2t200-x的松弛率。此外，隨著定型劑含量的增加，cc-2t200-x與cc-p450-x的彈性回彈變形占比均逐漸減小，粘彈性回彈變形占比均逐漸增加，永久變形占比均增加。

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