碳纖維/環氧復合材料特性及對競技體育器材影響

李娜

摘要：現代競技體育不斷刷新人類的運動極限，給專業體育器材提出了更高的要求，碳纖維增強環氧樹脂復合材料是一種熱固性高性能復合材料，對碳纖維增強環氧樹脂材料在自行車、網球、羽毛球和曲棍球中的應用進行了分析。結果表明，采用碳纖維增強環氧樹脂復合材料制造的運動器材的性能得到了極大的提升，在熱性能、界面性能、力學性能和抗疲勞性能方面都有顯著的效果。碳纖維增強環氧復合材料被廣泛用于體育器材的改進，對促進競技體育的進一步發展具有良好的前景和巨大的潛力。

關鍵詞：碳纖維；環氧樹脂；聚合物復合材料；運動器材

中圖分類號：TQ342+.742??????????? 文獻標志碼：A???????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0069-04

Research? on the properties? of carbon fiber/epoxycomposite materials? and? its? effects? on? sports? equipment

LI Na

（XinJiang Normal University，XinJiang Urumqi 830000）

Abstract： Modern competitive sports constantly refresh human movement limit，put forward higher requirements for professional sports equipment，and promote the continuous and rapid development of advanced performance sports equipment. Among them，the material performance of sports equipment is the key to restricting the function of sports equipment，and is also an indispensable factor in achieving sports breakthrough. Various polymer composites standout among the new materials because of their outstanding advantages such as high temperature resistance，cor- rosion resistance，light weight，high mechanical strength，durability and so on. Carbon fiber reinforced epoxy resin composite? is? a thermosetting? high-performance? composite，which? can? be used to? manufacture? advanced? aircraft parts. It is a polymer composite with superior comprehensive properties. This study summarized the role of carbon fi- ber reinforced epoxy resin in bicycle，tennis，badminton and hockey. The results showed that the performance of sports equipment made of carbon fiber reinforced epoxy resin composites had been greatly improved，and had signif- icant effects on thermal properties，interface properties，mechanical properties and fatigue resistance. Therefore，car- bon fiber reinforced epoxy composites are widely used in the improvement of sports equipment，which has a good prospect and great potential to promote the further development of competitive sports.

Keywords： carbon fiber；epoxy resin；polymer composites；sports equipment

隨著經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，越來越多的人放松地投入到各種體育運動中去，積極的運動不僅可以鍛煉身體，還可以改善自己的愛好，現代體育競賽的快速發展除了專業科學的訓練，完善的物質和技術保障以外，也離不開運動器材的性能的不斷改進與提升[1]。現代競技體育在不斷接近或突破人類極限的同時，對專業體育器材的挑戰也提出了更高的要求。體育器材的作用尤為重要。選材已成為體育器材選材的一個重要方面，不同的選材所帶來的效果是不同的[2]。傳統體育用品大多采用木材和復合材料，材料的物理特性受到限制，材料不耐高溫，易腐蝕，彈性差，體育成績很難有實質性突破[3-5]。由于聚合物復合材料具有質量輕、強度高、設計靈活、加工方便等特點，在現代體育器材領域有著廣泛的應用[6-8]。

碳纖維增強復合材料由于其優異的機械和熱性能，在汽車、建筑、航空航天、體育和軍事工業中有著廣泛的應用。碳纖維增強復合材料的制備采用預浸料的方式，“預浸料”由一種增強纖維組成，該纖維在成型過程之前已被樹脂浸漬[9-10]。它被形成所需的形狀，然后通過加熱固化。碳纖維增強環氧樹脂質量輕、力學強度大、彎曲性能好，同時高度耐腐蝕和疲勞損傷，可以被運用于制造先進飛機的材料，也可以用于制造性能優異的體育運動器材[11]。

通過綜合分析碳纖維增強環氧復合材料的熱性能、界面性能、力學性能和抗疲勞性能，從而更有效、更準確地確定碳纖維增強環氧復合材料的效果。本文分析了碳纖維增強環氧復合材料對運動器材性能的影響，評價了碳纖維增強環氧復合材料對提高運動器材的性能具有的作用。

1 碳纖維增強環氧復合材料

1.1 碳纖維的特性

碳纖維的含碳量比無機聚合物高90%，其中最主要的組成部分是成六面形的C6石墨纖維結構組成的三維網狀結構，因為這樣的一種微觀結構，從而賦予了碳纖維出色的軸向強度與模量，其絕對值與高強度相接近，而碳纖維的密度僅為高強度鋼的19%，這樣下來其比模量達到了鋼的近5倍；而且碳石墨纖維的膨脹系數極其之小，比其他的材料幾乎是小了差不多1～2個數量級，從而其在高溫下不會產生蠕變現象，具有很好的耐久疲勞性。另外，碳纖維具有很強的耐腐蝕性，而且由于密度低，能夠顯著減少材料本身自重等[12-13]。碳纖維是一種力學性能優異的新型材料，碳纖維與聚合物組成的復合材料能夠顯著提升其抗拉性能與彎曲性能，碳纖維樹脂復合材料與其他材料性能的對照如表1所示。

1.2 碳纖維環氧樹脂復合材料特性

碳纖維環氧樹脂復合材料由基材（環氧樹脂），增強纖維（碳纖維）和交聯部分（界面）組成。這個也就是說，碳纖維環氧樹脂復合材料特性不單單取決于環氧樹脂、碳纖維它們各自的性能和功能，與2種材料的相互的相容性也有很大的關系[14-15]。碳纖維良好的耐化學性和耐候性復合材料的改性通常基于界面改性，對于碳纖維環氧樹脂復合材料，與樹脂混合的碳納米管僅添加樹脂基體，而不形成梯度界面層，碳纖維在環氧樹脂中的界面相容性為佳，能夠顯著增強善環氧樹脂的機械力學性能，如比強度、比剛度和尺寸穩定性。同時，環氧樹脂所具有的良好的耐化學性和耐候性也得到了充分的保留和實現，使其成為航空航天、軌道交通和風力發電等領域許多結構應用的理想選擇。

1.3 碳纖維環氧樹脂復合材料在體育用品中應用的優勢

碳纖維增強環氧樹脂復合材料用于體育器材，傳統的體育運動器材所采用的材料無論是木頭、鋼鐵、鋁合金等材料總是或多或少的存在對其功能提升存在較大制約因素的缺陷，或者是質量太重，或者是剛性或彈性不足，易折斷或損壞；或者是在一些嚴苛的環境中耐候性能不佳。鈦合金運動器材雖然也能夠解決上述問題缺陷，但是鈦合金體育運動器材價格昂貴加工困難，與鈦合金材料相比，碳纖維環氧樹脂復合材料制造的運動器材其性能不輸于鈦合金材料，其更容易加工成型，因此，極大地降低了加工成本，具有顯著優勢[16-17]。

1.3.1 質量輕

在一些競技體育的比賽中，在保證運動器材功能的基礎上，降低材料的質量，有助于減少運動員體能的消耗，降低環境阻力，比如采用質量更輕的自行車、帆板、滑雪板等都能夠使運動員的成績得到進一步提升，像20 km公路自行車比賽用自行車的質量每減少1 kg，可以使其最終成績提升20～30 s。采用碳纖維環氧樹脂復合材料其密度只有鋁合金的60%，因此，在這方面具有無可比擬的優勢。

1.3.2? 良好的力學性能

由于專業運動器材往往在接近人類力量與技巧極限的競技比賽中發揮其作用，在這一過程中，往往需要承受運動員完成各項專業技術動作所產生的受力過程，因此，這就要求這些運動器材必須具有優異的力學性能，在其設定壽命期限內能夠承受這些受力過程而不至于發生損壞，碳纖維環氧樹脂復合材料的強度、比強度、模量和比模量都很高，而且碳纖維發生斷裂，環氧樹脂材料的阻尼作用可以防止材料整體失效；而碳纖維的存在也可以使環氧樹脂的裂紋不再繼續擴大，這在運動器材制造中是一項不可多得的優勢。

1.3.3 易于外形設計

復合材料成型技術的發展使得其設計自由度比傳統材料有了很大的提高，各種產品總能根據玩家自身的不同情況找到相應的成型方法。由于碳纖維復合材料在加工過程中也具有良好的塑性，因此其設計更加多樣化。傳統材料制成的運動器材由于材料本身的性能會受到限制，但復合材料的可塑性使人們對材料的設計空間更大。因此，可以根據用戶的不同需求進行不同的設計，這是傳統材料無法實現的。

1.3.4 其他的優勢

在體育器材材料選擇上須考慮到環境友好和成本效益，而碳纖維環氧樹脂復合材料，在使用過程中不會揮發或釋放有毒有害物質，而且材料回收方便，可以再次循環加工利用，原材料及生產加工成本不高，經濟效益明顯。

2 碳纖維增強環氧復合材料的性能分析與性能

碳纖維增強環氧樹脂復合材料中碳纖維的楊氏模量是玻璃纖維的3倍多，是氨綸纖維的2倍左右。碳纖維增強環氧復合材料的耐腐蝕性也很好。碳纖維增強環氧復合材料的發明是材料史上的一次革命。碳纖維增強環氧復合材料以其高強度、高模量、耐高溫、耐疲勞、導電性、質量輕等優異性能，成為取代傳統材料的高性能材料的首選。

碳纖維增強環氧復合材料的界面為非極性界面，纖維表面沒有活性官能團，使得碳纖維與樹脂基體的界面粘接性能相對較弱。而界面又是增強體與基體之間的橋梁，因此碳纖維增強環氧樹脂復合材料界面的性能在很大程度上決定著復合材料的性能[18]。良好的界面性能，有利于確保基體材料與增強纖維之間的載荷傳遞的有效性，防止內部裂紋擴展，從而降低應力集中，提高復合材料的最終性能。為了提高碳纖維和環氧樹脂之間的界面性能，大多數碳纖維增強環氧復合材料都需要進行預處理，預處理的內容包括除去纖維表面雜質，蝕刻纖維表面以增加纖維界面能，引入具有極性的官能團或無機納米粒子與樹脂形成中間層。

碳纖維增強環氧復合材料損傷擴展規律的分析研究如圖1所示。

通過分析圖1中的數據和趨勢，可以清楚地看到，碳纖維增強環氧復合材料的損傷擴展分為5個階段：基體開裂、界面脫膠、分層、纖維斷裂和斷裂。可以確定，基于碳纖維增強環氧復合材料的損傷擴展規律對運動器材的設計具有重要的參考價值。

掃描電子顯微鏡（SEM）照片中未經處理的碳纖維和酸化的碳纖維如圖2所示。

從圖2的 SEM照片可以清楚地看到，酸化后，圖2（b）中碳纖維的溝槽更加清晰，接枝的碳納米管以不同的角度粘附在纖維表面，并沿纖維表面凹槽的外緣均勻分布。接枝后，碳纖維的質量增加了1.2%，這意味著許多碳納米管被接枝到碳纖維表面。

碳纖維增強環氧復合材料的拉伸疲勞應力隨時間的變化曲線如圖3所示。

復合材料的疲勞試驗表明，在試驗前后都需要進行無損檢測。對于試驗前后材料中的缺陷和損壞，沒有明顯的防護措施。材料的最大疲勞為Smax，最小疲勞為Smin。探討了疲勞對材料的影響以及界面與疲勞的關系和作用。

3 碳纖維增強環氧復合材料對運動器材的影響

3.1 碳纖維增強環氧復合材料對自行車性能影響

碳纖維增強環氧復合材料自行車的性能研究如圖4所示。

從圖4可以看出，與普通鋼結構自行車相比，碳纖維增強環氧復合材料自行車車架在機械性能、熱性能、耐疲勞性和界面性能方面都有顯著改善。它為騎手節省了很多能量[19]。由此可見，碳纖維增強環氧復合材料極大地改善了自行車車架下的材料性能，碳纖維增強環氧復合材料的性能優勢明顯。

3.2 碳纖維增強環氧復合材料在網球和羽毛球拍的應用

采用碳纖維增強環氧復合材料制成的網球拍和羽毛球拍，質量輕，剛性應變小，能減少球與球拍接觸時間的偏差程度；同時，良好阻尼有助于延長了球手與球的接觸時間，使擊發球獲得較大的加速度。相關研究表明，用碳纖維增強環氧復合材料制成的網球拍與球的接觸時間達到4.9 ms，比鋼絲拍增加了近1 ms，這樣可以使網球獲得的最大初速度達到161 km/h，比鋼絲拍提高了接近16 km/h，這樣就可以使網球運動員獲得更加優異的運動成績[20]。

3.3 碳纖維增強環氧復合材料在曲棍球上的應用

近年來，一種采用碳纖維增強環氧復合材料制造的一體式復合曲棍球棒在國際曲棍球比賽中吸引了越來越多的運動員和教練員的目光，這種一體式的符合曲棍球幫的耐用性能顯著的優于傳統的由棍柄和棍頭2部分的結構。有效的避免了在激烈的比賽中，發生連接處出現斷裂的后果，提供更好的平衡性和使用感。而且由于這種曲棍球桿采取一體式鑄造加工，這樣也降低了制造成本。

4 結語

分析了碳纖維增強環氧樹脂復合材料在自行車、網球、羽毛球和曲棍球中的作用。結果表明，以碳纖維增強環氧樹脂復合材料為基礎的運動器材的性能得到了極大的提升，在熱性能、界面性能、力學性能和抗疲勞性能方面都有顯著的效果。碳纖維增強環氧復合材料的損傷擴展分為5個階段：基體開裂、界面脫膠、分層、纖維斷裂、斷裂。碳纖維增強環氧復合材料被廣泛用于體育器材的改進，對促進競技體育的進一步發展具有良好的前景和巨大的潛力。

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