碳纖維復合材料的制備及在體育器材中的應用

謝 佳，劉 冬，朱成敏

(1 新疆工程學院體育部,新疆烏魯木齊 830000；2 昭通學院體育學院,云南昭通 657000)

碳纖維是一類無機高分子纖維材料,兼具了碳材料和塑料纖維的固有本質特性[1]。碳纖維復合材料通過碳纖維和樹脂、金屬、陶瓷等基體復合構成,具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、導電、導熱等碳素材料的特性[2],且具有顯著的柔軟可加工型[3],不僅用于航空航天、醫療化工、汽車紡織等領域中,也成為當今競技體育運動設備和器材的常用材料[4-5],很大程度上提升了運動體驗和比賽成績。基于此,本文以碳纖維復合材料為主要對象,對材料的應用性能優勢進行比較,并結合碳纖維復合材料在各類體育器材中的具體應用進行實例分析。

1 碳纖維復合材料性能

1.1 材料微觀結構

碳纖維復合材材料,通過以碳纖維為分散相,以塑料作為連續相構成高分子纖維物[6]。在碳纖維復合材料中,塑料為基本結構,起到結構的支撐作用,而碳纖維分散在塑料中,起到連接作用,圖1 為典型的CCF300/5405 復合材料結構,可以看出,CCF300 材料和5405 材料間彼此并不接觸,而CCF300 分散在塑料基體中。因此,碳纖維復合材料具備了較高的力學性能、加工成型性能、破損安全性等。

圖1 碳纖維增強塑料的微觀結構Fig .1 Microstructure of carbon fiber reinforced plastics

1.2 良好的力學性能

碳纖維復合材料中碳纖維為增強相,塑料作為基體相將碳纖維連續固定在一起。分散的碳纖維作為受力點能夠承受應力的作用,而起連接作用的塑料則完成應力的傳遞[7]。通過二元相的協同作用,碳纖維復合材料具備了碳纖維和塑料的雙重特性,在降低了材料自重的同時,提高了力學性能,這種質輕強高的性質被應用于體育器材原材料選擇上。表1 給出了傳統金屬材料與CCF300/5405 碳纖維復合材料的力學性能比較,可以看出,碳纖維復合材料的優勢極為顯著。

表1 不同材料性能參數比較Table 1 Comparison of performance parameters of different materials

1.3 破損安全性

碳纖維復合材料在基體作用下沿著纖維方向受到拉應力時,各纖維應變保持一致。由于碳纖維主要承擔應力作用,塑料基體傳遞應力,只有在斷口處的纖維才失去了功能性,大部分纖維仍然在正常使用,即個別纖維的斷裂并不會發生連鎖反應[8],整個復合材料結構體還是處于一個相對穩定的狀態,因此,碳纖維材料具備了很強的破壞安全性。

1.4 結構加工成型性

碳纖維是一類長條狀的一維材料,增加了設計自由度,如圖2 所示。纖維材料的受力情況由碳纖維的排列方向決定,纖維排列方向和方式的改變能在局部或整體提升某一方向的耐受力狀態[9]。在體育器械設計方面,可根據使用者年齡、技能水平等情況進行針對性設計,最大限度提升使用者體驗感。碳纖維復合材料成型方式也多種多樣,如運用收縮成型、噴射成型、層壓成型的方式制備性能良好,形狀各異的體育器材制品。

圖2 長條狀碳纖維材料Fig.2 Long strips of carbon fiber material

碳纖維復合材料除了有優異的力學性能、加工成型性能、破損安全性能外,還具有良好的尺寸穩定性、抗疲勞性、較長的使用壽命特性,作為體育器材原材料,能夠極大程度提升器材綜合性能。

2 碳纖維復合材料的制造工藝

2.1 制備方式

利用碳纖維復合材料制造體驗器材的制備方式包括纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM 成型等[10-11]。碳纖維復合材料在制造體育器材或防護用具時,可根據器材的使用條件、使用項目不同進行加工成型,表2 給出了幾種典型加工成型方式的幾種典型體育器材制造。

表2 體育器材加工成型方式Table 2 Forming of sports equipment

2.2 纏繞成型

纏繞成型是在專業的纏繞機上,將預浸料坯纏繞在轉動芯模,經固化、除模工藝得到碳纖維復合材料制品。纏繞成型一般用于圓柱體、球體等簡單旋轉體以及非旋轉體部件的制造質量輕的制品。纏繞成型技術可機械化生成,有效提高了生成效率,降低了勞動成本,但制品固化要去芯模處理,難以適用于釣魚竿、高爾夫球桿類型的表面凹凸制品。

2.3 擠拉成型

擠拉成型用于纖維復合材料的連續生成。纖維束或帶狀物在外力作用下經浸膠、擠壓、加熱固化、切割工藝制作具有特點形狀和長度的線形制品。拉擠過程中借助一定截面形狀的成型模具將浸漬的連續纖維注入模腔固化成型,或在模腔內凝膠,在機械拉力下引拔出型材制品。制備制品時,增強纖維沿軸向平行排列,提升復合材料的強度。拉伸制品強度、質量輕的優勢,為不同類型體育設施的應用創造條件。

2.4 RTM 成型

RTM 成型技術是將纖維或預成胚置于密閉模腔內,將樹脂注入模腔浸透預成型胚,經過固化、脫模成型。該技術適用于制造質量較高、纖維含量高、孔隙率低的復雜復合材料構件,由于制模過程中無需脫衣樹脂,能保持制品表面的光潔度,同時,產品的還早周期短,可節約成本。可通過CAD 技術進行模具產品設計,成型構件能夠實現局部增強,工藝成型過程中產生的揮發物質較少,對環境破壞較低,因此,RTM 技術一般用于制作大批量的碳纖維復合材料構件,如自行車、皮劃艇等。

2.5 模壓成型

模壓成型是在封閉模腔內,通過加熱和壓力固化獲得成型制品。模壓成型增強材料主要為短切纖維、連續纖維物,該方式成型效率低、制作精度高、成型表面光潔,適用于高精度和重復性高的體育器材制造。在制備復雜結構制品時,模壓成型不需要進行車、刨加工,能實現一次成型,減少了對制品的損壞,因此產品具有良好的外觀和可重復性,但該技術對模具設計提出了更高的要求,且對設備具有較高的要求。

3 應用實例

競技體育中,體育器材直接影響到運動員的競技成績。良好的人體工學特性,優異的穩定性、彈塑性,能進一步激發運動員潛力,提升競技狀態。休閑體育中,性能和質量良好的體育器材能夠讓人去主動參與日常體育訓練,強健體魄。當下各類生產企業從原材料入手來提升體育器材的性能,如利用碳纖維制作輕便的自行車,制作彈性優異的網球拍、羽毛球拍,做做高強度的滑冰鞋等。

3.1 球拍類體育用品

球拍類體育器材包括常見的羽毛球、網球等。球拍分為拍柄和拍面兩部分。拍柄為手持端,為避免劇烈運動過程中出汗發生脫拍,要求拍柄有一定摩擦力。拍面作為擊球接觸位置,控制球運行軌跡,因此要求牌面的延伸性、減震性和抗沖擊性均能達到一定要求。擊球過程中,球與拍面接觸,形成一定震動,降低這種沖擊震動將有助于運動員采取根合適的角度和力度擊球。碳纖維復合材料制備的球拍具有優良的抗震性,在保證擊球穩定性同時減少了運動員的不適感,如采用纏繞成型方式加工成的網球片,球拍彈性大幅上升,擊球面積相較于木質球拍提高了1.5 倍,大幅提高了擊球的準確率和出球初始速度。

3.2 桿、棒類體育器材

常見的桿、棒類體育器材包括釣魚竿、高爾夫球棒、運動撐桿等。桿、棒類體育器材要求材料有優異的彈性。如運動撐桿,需要在承重狀態下迅速回彈,將運動員帶至相對高度。而采用木質撐桿,質量和彈性均較差,限制了撐桿跳高成績。采用碳纖維復合材料纏繞成型工藝制造的撐桿具備了很高的彈性模量,能將運動動能轉化為彈性形變能和重力勢能,大幅提升跳高成績。如當前的撐桿記錄最高能達到6.16m,與碳纖維復合材料的改良是息息相關的。釣魚竿要求材料質輕且拉伸強度高,且能防止導電。基于注塑成型工藝制造的碳纖維釣魚竿完全滿足了釣魚竿的性能要求。而采用纏繞成型工藝制造的高爾夫球棒同樣具備了高彈高強高阻尼特性,有效提升了擊球接觸時間和擊球距離。

3.3 板類體育器材

板類體育器材包括常見乒乓球拍、沖浪板、帆船板等,該類體育器材要求有較高的減震特性。如對于滑雪板,不僅需要足夠的強度來承受運動員的體重,同時,也要足夠的穩定性和減震性來降低運動過程中的轉向和振動特性。采用碳纖維復合材料、芳綸-碳纖維混合制備夾心結構滑雪板,具備良好的耐摩擦耐腐蝕性,能極大程度節省運動員的體力。對于帆船和沖浪等水上運動,運動員追求競技速度,要求帆船板質輕、耐腐蝕,碳纖維復合材料質輕、耐腐蝕的特性,與帆船等海上運動具有極高的匹配性。

此外,對于登山運動、自行車競技等體育器材,碳纖維復合材料也體現了材料的優勢。采用碳纖維復合材料制備的登山繩索具有很高的強度和耐磨性,而碳纖維復合材料的自行車的剛性和減速性得到顯著提升,極大程度提升了運動會從事競技運動的安全性。因此質輕成為運動用品的基本要求,碳纖維和塑料作為一類低密度材料,也是碳纖維復合材料在體育器材得到廣泛應用的原因之一。

4 結語

碳纖維復合材料以碳纖維為增強相,以塑性材料為連續基體相,是一種性能優異的復合材料。體育器材加工制造中采用碳纖維復合材料,通過利用其質量輕、力學性能好、設計自由度大、破損安全性高的優勢,在撐桿、網球拍、高爾夫球桿等體育器材領域中得到廣泛應用。根據不同體驗項目,調節碳纖維排列方向,進行原材料的性能設計,滿足不同場合。實際應用中,根據不同的體育項目,采用合適的成型功能,能夠獲得高性能的體育器材,促進體育運動事業的長期發展。