基于熱處理工藝的羽毛球拍桿用鋁基復合材料性能研究

張 強

(西安思源學院， 陜西 西安 710038)

隨著體育用品行業的不斷發展，消費市場對于高質量體育器材的需求日益擴大。羽毛球拍作為羽毛球運動的基礎性器材，其拍桿的質量直接決定了羽毛球拍的質量和使用壽命。本文以鋁基復合材料制成的羽毛球拍桿作為研究樣本，具體分析不同熱處理工藝下羽毛球拍桿的物理性能[1-3]。并且在完成實驗后還需要通過顯微鏡來觀察鋁基復合材料在經過熱處理后的表面情況。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

本次研究采用噴射成型法，將氮氣作為霧化氣體制備鋁基復合材料的沉積坯，再以1500T擠壓機對其實施熱擠壓處理，擠壓系數為12，環境溫度為420 ℃，最終獲得直徑10 mm，長度為680 mm的長方形鋁基復合材料，該材料的具體成分為：鋁80.18%、碳化硼8.03%、鈦0.22%、銅2.51%、鎂2.54%、鋅6.52%。

1.2 熱處理工藝

針對鋁基復合材料所實施的熱處理工藝分別有A、B、C、D四種，各工藝的熱處理制度分別如下：

工藝A：455 ℃×2 h單級固溶+130 ℃×24 h單級時效；

工藝B：440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h雙級固溶+130 ℃×24 h單級時效；

工藝C：455 ℃×2 h單級固溶+120 ℃×8 h+160 ℃×16 h雙級時效；

工藝D：440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h雙級固溶+120 ℃×8 h+160 ℃×16 h雙級時效；

1.3 實驗方法

本次研究利用中路通儀器生產的STT-930M型耐磨損性能測定儀對鋁基復合材料的耐磨損性能進行測試，直接獲取不同熱處理制度下鋁基復合材料的磨損體積；利用Naturethink公司生產的HKJ-5001型阻尼測試分析儀對鋁基復合材料的阻尼性能進行測試，直接獲取不同熱處理制度下鋁基復合材料的阻尼系數[4-6]；通過以下公式計算鋁基復合材料的抗彎剛度：

(1)

式中：EI為抗彎剛度；m為實驗系統質量；l為實驗系統跨度；f為實驗系統的固有頻率；π為常數[7-9]。

2 實驗結果

2.1 耐磨損性能測試結果

本次研究中鋁基復合材料的耐磨損性能測試結果如圖1所示。鋁基復合材料的耐磨損性與磨損體積成反比[10]，四種不同熱處理工藝下的鋁基復合材料體現出了不同的耐磨損性。工藝A處理下的鋁基復合材料磨損體積最大，即耐磨性最差；工藝D處理下的鋁基復合材料耐磨性最好。工藝D處理下的鋁基復合材料的耐磨損性能接近工藝A的2倍。另外，雙級固溶對于鋁基復合材料耐磨損性的提升顯著高于雙級時效。

圖1 耐磨性能試驗結果

2.2 阻尼性能測試結果

本次研究中鋁基復合材料的阻尼性能測試結果如圖2所示，測試條件設置為 0.8 Hz、 150 ℃[11-12]。經實驗研究發現，工藝A熱處理下鋁基復合材料的阻尼系數最小，工藝D熱處理下鋁基復合材料的阻尼系數最大，比工藝A提升58%。雙級固溶結合雙級時效的熱處理方法能夠使鋁基復合材料阻尼系數得到明顯提升。另外，雙級固溶相比于雙級時效更加有利于提升鋁基復合材料的阻尼性能[13]。

圖2 阻尼性能測試結果

2.3 抗彎剛度測試結果

本次研究中鋁基復合材料的抗彎剛度測試結果如圖3所示。經實驗研究發現，工藝D下的雙級固溶+雙級時效的熱處理方法在提升鋁基復合材料的抗彎剛度方面也有著十分顯著的作用，并且雙級固溶的熱處理效果更加突出。

圖3 抗彎剛度測試結果

2.4 鋁基復合材料表面SEM形貌分析

本次研究以SEM照片的方式對利用4種工藝進行熱處理的鋁基復合材料表面加以展示，其表面形貌如圖4所示。經實驗研究發現，經過工藝A熱處理后的鋁基復合材料表面存在較深磨痕和大量的凹坑，代表該熱處理方式會對鋁基復合材料造成較為嚴重的磨損；通過工藝B進行熱處理的鋁基復合材料，其凹坑和磨痕狀況得到了一定的改善，磨損問題得到顯著緩解；而通過工藝C進行熱處理后的鋁基復合材料，其磨痕問題相比于工藝B出現了一定的改善，但凹坑現狀卻比工藝B更加嚴重；通過工藝D進行熱處理的鋁基復合材料表面僅存在細小磨痕，既無明顯凹坑也無較深磨痕，工藝D對于鋁基復合材料的磨損最為輕微，所得到的觀察結果與以上實驗結果相一致。

圖4 鋁基復合材料表面SEM形貌

3 結 論

本文對熱處理工藝對羽毛球拍桿用鋁基復合材料性能的影響進行了研究，根據耐磨損性能、阻尼性能、抗彎剛度三項指標得到了鋁基復合材料熱處理的最佳方案，并通過SEM形貌觀察驗證了實驗結果。本文的研究結論如下：

(1)相比于455 ℃×2h單級固溶來說，440 ℃×1.5h+480 ℃×0.5h雙級固溶可以顯著提升鋁基復合材料的耐磨損性能、阻尼系數與抗彎剛度，顯著強化三項主要的力學性能指標。

(2)相比于130 ℃×24h單級時效的熱處理工藝來說，120 ℃×8h+160 ℃×16h雙級時效能夠顯著強化鋁基復合材料的耐磨損性能、阻尼系數與抗彎剛度。

(3)440 ℃×1.5h+480 ℃×0.5h雙級固溶+120 ℃×8h+160 ℃×16h雙級時效的熱處理方案，能夠使鋁基復合材料的磨損體積減少約50%，增加抗彎強度約10%，提升阻尼系數約60%。