碳纖維復合材料動態力學性能對運動器械的影響研究

陳盼盼

（西安醫學院，陜西 西安 710021）

碳纖維材料是一種碳含量超過90%的高強度高模量纖維材料，外形呈纖維狀、質地柔軟，在與樹脂、金屬等其他材料進行復合加工后可以實現固化，從而制備成不同性能和類型的復合材料[1]。例如，碳纖維材料與增強環氧樹脂材料按照不同的比例進行復合加工，可以制備成不同價格、不同材料強度、不同比模量的復合材料，實現在多領域、不同場景中的應用。網球運動能夠充分鍛煉參與人員的腿、臀、手臂等身體各部位，是一種絕佳的室內外運動類型。隨著網球運動及網球拍制造產業的發展，碳纖維等現代復合材料已經逐漸取代傳統的木質、金屬質材料，成為中高端網球拍制備和生產領域所使用的主要材料。碳纖維網球拍質輕、阻尼性好，能夠為使用者提供良好的緩震性能，在提升使用者競技水平的同時有效避免球拍擊球時的震動對人體手腕等部位產生的影響。本文以碳纖維復合材料性能優勢為出發點，對碳纖維網球拍的制備、材料研發等進行綜述，旨在為網球領域、碳纖維材料領域發展提供借鑒。

1 碳纖維復合材料優勢特征分析

碳纖維材料力學性能較傳統的金屬、木材而言具有極為顯著的優勢，其密度通常不到普通鋼材的1/4，而其復合材料如碳纖維環氧樹脂基復合材料的抗拉強度又通常可以超過3500MPa，是普通鋼材的8倍左右，而抗拉彈性模量也遠高于一般鋼材[2-4]。圖1所示為網球拍生產制備領域常用碳纖維復合材料在結構與性能上的特征分析。

圖1 碳纖維復合材料特征分析Fig.1 Characteristic analysis of carbon fiber composites

1.1 結構優勢

碳纖維復合材料與其他復合材料類似，其結構均具有典型的各向異性和分散相特征，即在相同類型的碳纖維復合材料制備而成的某種零部件中，沿纖維分布方向以及與纖維分布方向垂直方向在抗拉強度、拉伸模量等方面具有較大的差異，沿纖維分布方向各項力學性能均遠超過纖維分布垂直方向。除力學性能外，碳纖維復合材料在導熱性能、熱熔、熱膨脹等方面也會因這一結構特點而表現出沿纖維分布方向以及與纖維分布方向垂直方向上的差異。例如，某型號碳纖維環氧樹脂基復合材料在沿纖維分布方向上的熱膨脹系數為-0.1×10-6，而沿纖維分布垂直方向的熱膨脹系數卻為+35×10-6[5-6]。根據這一結構特征，碳纖維復合材料通常會根據具體的產品需求采用不同的纖維分布結構，從而使制備所得材料具備最佳的綜合性能。

1.2 性能優勢

碳纖維及其復合材料性能優勢主要體現在：①質量輕，通常能夠保證密度處于1.5～2 g/cm區間內，使碳纖維及其復合材料制備而成的結構件等獲得同等結構鋼質材料重量的1/4、鋁合金材料的1/2[4]；②力學性能強，碳纖維復合材料的抗拉強度約是普通鋼材的8倍左右，抗拉彈性模量約130～430 GPa，比強度可以達到2000MPa以上，約是普通鋼材的4～5倍，楊氏模量能夠分別達到一般玻璃纖維、凱芙拉纖維的3倍、2倍以上[4]；③抗沖擊性能強，碳纖維復合材料具有極高的模量，需要施加極大的外部沖擊力才能致其損壞；④阻尼性好，良好的阻尼性能夠為網球拍使用者提供良好的擊球手感，利用碳纖維復合材料制備而成的網球拍能夠為使用者提供良好的擊球手感和適當反饋力度，不會因擊球力度過大而致運動員手腕或其他部位出現運動損傷。

2 碳纖維網球拍的設計選材與工藝分析

2.1 典型碳纖維網球結構

圖2所示為國外某品牌WRT7392系列網球拍的典型結構。該系列網球拍框為碳纖維復合材料制備而成，框架整體采用了名為CARBON MAPPING的新型碳纖維復合材料重組工藝，使球拍在新彎矩范圍內可以產生相應的變形和回彈等效果，從而在降低運動員手腕處所受沖擊力的同時提供更長的擊球時間和更大的擊球力量；球拍的三角區采用STABLE SMART數字化設計仿真技術，在充分利用碳纖維材料結構靈活、可設計性強的優勢下，使球拍在能夠為使用者提供穩定性和力量的同時不失靈活性；手柄部位使用橡膠復合材料制備而成，為使用者提供良好的握感和反饋，進一步提升運動舒適性和運動防護功能。

圖2 WRT7392系列網球拍的典型結構Fig.2 Typical structure of WRT7392 series tennis racket

使用碳纖維復合材料制備而成的網球拍空拍重量通常能夠保持在280-340g之間，較一般鋁合金材質球拍更輕且整體力學性能更好，能夠為使用者提供更加柔和的使用手感；拍體整體強度更高，能夠生產和制備出各種“異型框”或“異型結構件”等。

2.2 碳纖維網球拍選材因素

2.2.1 成本因素

作為一種必須投入市場進行銷售的產品，碳纖維網球拍在進行選材時必須充分考慮產品的生產成本。以當前最為常見的碳纖維環氧樹脂基復合材料網球拍為例，球拍中的碳纖維質量占比越高，則該球拍的成本越高、性能也越好。通常職業運動員所使用的碳纖維網球拍中碳纖維質量占比約66%，環氧樹脂質量占比約34%；業余愛好者所使用的球拍碳纖維質量占比則會相應降低，環氧樹脂質量占比則會相應提高，一般最為常見的碳纖維球拍中，碳纖維質量占比均保持在38%～57%之間，能夠在性能與成本之間保持較好的平衡[7-9]。

2.2.2 個性化定制結構

碳纖維材料的出現，為網球拍進行更多的個性化設計提供了可能（圖3）。碳纖維復合材料成型工藝具有更大的靈活性，更容易實現各種異型結構的網球拍。以網球拍中異型結構件出現頻率最高的三角區（也被稱為拍喉等）、拍框為例。傳統的木質材料或金屬材料在材料強度及重量等因素的限制下無法根據用戶的喜好進行定制化制作，僅能按照固定的形狀進行加工。而碳纖維復合材料的出現，在保證網球拍高性能的前提下，能夠進行多種外形、結構等的設計，充分滿足了用戶對網球拍的個性化、定制化需求。

圖3 個性化碳纖維網球拍設計Fig.3 Personalized carbon fiber tennis racket design

3 碳纖維網球拍纖維材料制備

3.1 制備原則

網球拍使用的碳纖維材料在進行制備時，除需充分考慮網球拍的基本性能、工藝特征外，還需要對網球拍應用人群對球拍“磅數”的需求，這一要求直接決定了所用材料的韌性（如沖擊后壓縮強度或損傷阻抗等）以及使用環境因素等。在確定碳纖維材料的設計參數以后，通過實驗確定所需各碳纖維結構件的鋪設角度和鋪設厚度設計許用值，針對材料的沖擊后壓縮破壞應變等值進行試樣分析，然后確定該材料符合某一型號碳纖維網球拍性能要求以后方可開始進行材料制備。

3.2 制備過程

碳纖維網球拍主要纖維材料制備流程如圖4所示。碳纖維網球拍纖維材料制備總共分為8個步驟：①按照模擬分析所得碳纖維與環氧樹脂質量占比調配環氧樹脂溶液；②在編織機上將碳纖維束浸入環氧樹脂溶液；③按照既定碳纖維排列角度等將碳纖維束編織成布狀并將其附著于離型紙上；④按照一定的加工尺寸和角度進行裁剪；⑤靜置于自然條件下2～3天完成風干處理；⑥將風干處理完成后的碳纖維布裁剪成規定尺寸的積層；⑦將尼龍風管包裹于積層內卷成條狀并在接頭處進行適當補強；⑧將卷好的碳纖維原材料置于模具內進行熱壓爐加熱，約20～30 min以后取出并冷卻，即可得到網球拍各不同零部件初胚[10]。

圖4 典型碳纖維網球拍纖維材料制備流程Fig.4 Preparation process of typical carbon fiber tennis racket fiber materials

碳纖維網球拍纖維材料制備完成以后要經過鉆穿線孔、研磨、涂裝、裝配，根據用戶不同的需求還可以附上拍線、配件、拍套等，完成包裝以后便可作為成品進行出售。

4 結語

不同材質的網球拍如碳纖維復合材料球拍、鋁合金材料球拍等具有不同的性能。網球拍制備使用的材料直接決定了球拍的質量，如木質或部分金屬材質球拍由于材料本身阻尼性較差，在長期使用過程中對手腕處會產生較大的沖擊，容易造成使用人員運動損傷，主要表現為手腕疼痛、鼓包等。因此，選擇恰當的材料代替傳統金屬質、木質材料制備網球拍，成為當前網球器械加工領域的重點研究方向之一。