碳纖維用于競技體育器材的性能優(yōu)勢與改性優(yōu)化研究

摘要：為改善競技體育器材用碳纖維復合材料性能，以納米改性材料為載體對碳纖維復合材料進行了改性處理，并對其力學性能進行了測試表征。結果發(fā)現(xiàn)，納米改性材料可有效改善碳纖維復合材料整體性；隨著納米改性材料質量分數(shù)增加，碳纖維復合材料拉伸強度表現(xiàn)為先升高后降低的態(tài)勢，抗彎強度呈現(xiàn)為先升高后降低再升高的波形趨勢，裂紋擴展功、沖擊形成功、總沖擊功皆呈現(xiàn)出不同程度的逐漸增大趨勢，界面剪切強度表現(xiàn)為先增大后減小的態(tài)勢；表明納米改性材料可有效增強健美操器材用碳纖維復合材料拉伸性能、彎曲性能沖擊性能、界面剪切強度。

關鍵詞：競技體育器材；納米改性；碳纖維復合材料；樹脂體系；界面剪切強度

中圖分類號：TQ342+.742文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）10-0097-04

Research on the performance advantages and modification optimization of carbon fiber for competitive sports equipment

YANG Jie1，SU Chen2

（1.Xi’anMedicalCollege，Xi’an710309，China；2.ShanxiProvinceIceandSnowSportsCenter，Taiyuan030199，China）

Abstract：In order to improve the performance of carbon fiber composite materials used in aerobics equipment，thecarbon fiber composites were modified with nano-modified materials as the carrier，and their mechanical propertieswere tested and characterized. The results showed that nano modified materials could effectively improve the overallperformance of carbon fiber composites. With the mass fraction of nano modified materials increased，the tensilestrength of carbon fiber composite materials showed a trend of first increasing and then decreasing，and the bendingstrength showed a waveform trend of first increasing，then decreasing and then increasing，and the crack propagationenergy，impact forming success，total impact energy all showed a gradual increasing trend to varying degrees，and theinterfacial shear strength showed a trend of first increasing and then decreasing. This indicates that nano modifiedmaterials can effectively enhance the tensile properties，bending properties，impact properties，and interfacial shearstrength of carbon fiber composite materials used in aerobics equipment.

Key words：aerobics equipment；nano modification；carbon fiber composite materials；resin system；interface shear"strength

傳統(tǒng)競技體育等體育器材多以木材或金屬搭配塑料或橡膠等進行加工制造，但傳統(tǒng)材料存在不少問題，不僅飽受詬病，且致使運動效果不甚理想，難以切實達到健美修身、頤養(yǎng)心性的目的[1]。而高分子復合材料不僅質輕高強、靈活多變，且力學性能與衛(wèi)生性能優(yōu)異[2]，因此在競技體育等體育器材領域備受推崇。在科技進步推動下，以降低成本、資源消耗與環(huán)境污染的同時優(yōu)化器材綜合性能[3]。其中碳纖維作為無機高分子結構材料，通過與其他材料相結合而構成擁有優(yōu)越綜合性能的碳纖維復合材料，體育器材力學性能與衛(wèi)生性能也在持續(xù)強化。由此，輕質且高性能的復合材料在體育器材中的運用持續(xù)增加，未來全球體育器材行業(yè)中碳纖維復合材料的使用還將不斷增長[5]。基于碳纖維的多樣化復合材料所制成的體育器材既能夠滿足運動員使用需求，又能夠契合大眾日常健身需求[6]。在競技體育器材領域，碳纖維復合材料的應用為順應個性化需求也呈現(xiàn)于多層面，本研究主要對競技體育器材和輔助器材中常用的碳纖維復合材料的改性制備、性能特點分析，特別是對材料的拉伸性能和沖擊性能進行測試及驗證。

1健美操器材用碳纖維復合材料納米改性制備及性能表征

1. 1原料與儀器

原料主要包括：碳纖維材料（絲束3K，面密度200 g/m2，厚度2.0 mm），山東英特力新材料有限公司；納米顆粒（甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物，密度0.3 g/cm3，粒徑200μm，揮發(fā)比lt;1%），東莞鑫淼新材料有限公司；環(huán)氧樹脂+固化劑混合膠液（性能參數(shù)如表1所示），無錫希亞諾新材料科技有限公司。

儀器主要包括：電子萬能拉力試驗機（i-Stren?tek 1510），濟南蘭光機電技術有限公司；掃描電子顯微（Quanta 200FEG），杭州瑞特世科技有限公司；沖擊測試儀（LZ23.401），力試（上海）科學儀器有限公司；層間剪切強度試驗儀（XWZQJQ），北京中科路達試驗儀器有限公司。

1. 2試樣制備

制備工藝流程[7]具體如圖1所示。

配置樹脂并基于不同質量分數(shù)（0、1.5、3.0、4.5、6.0%）摻入納米改性材料甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物，持續(xù)攪拌直至均勻備用，根據一定順序鋪設材料，同時以真空輔助成型工藝進行碳纖維復合材料制備。以常溫狀態(tài)固化處理2 d以上，固化后脫模并取出切割打磨以制成納米改性碳纖維復合材料試樣[8]。1. 3性能表征

按照GB/T 1447—2005標準，利用電子萬能拉力試驗機測試健美操器材用納米改性碳纖維復合材料拉伸性能、彎曲性能；利用掃描電子顯微鏡觀察健美操器材用納米改性碳纖維復合材料微觀結構變化動態(tài)[9]；按照ASTM D7136—2005標準，利用沖擊測試儀測試健美操器材用納米改性碳纖維復合材料沖擊韌性；按照GB 1450.1—2005標準，利用層間剪切強度試驗儀測試測試健美操器材用納米改性碳纖維復合材料界面剪切強度[10]。

2健美操器材用納米改性碳纖維復合材料性能表征結果與分析

2. 1納米改性碳纖維復合材料微觀結構

健美操器材用納米改性碳纖維復合材料微觀結構具體如圖2所示。

由圖2可知，納米改性材料甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物在掃描電子顯微鏡下呈現(xiàn)出比表面積大且均勻分散度高的顯著特征，而均勻分散度高是優(yōu)化碳纖維復合材料性能的關鍵因襲，其不但可增強碳纖維復合材料界面脫粘阻力，而且可促使樹脂于碳纖維層間形成穩(wěn)定的界面一體化結構，從而可有效改善碳纖維復合材料整體性。

2. 2納米改性碳纖維復合材料拉伸性能

裁剪碳纖維復合材料試樣為250 mm×25 mm×2.5 mm，比較分析基于不同質量分數(shù)碳纖維復合材料試樣拉伸性能，結果具體如表2所示。

由表2可知，隨著納米改性材料質量分數(shù)的增加，碳纖維復合材料拉伸強度表現(xiàn)為先升高后降低的態(tài)勢，這可能是由于碳纖維材料模量高且脆性大，彈性階段過渡至斷裂失效階段的時間過短，引發(fā)脆性斷裂；納米改性碳纖維復合材料拉伸強度皆高于未改性碳纖維復合材料，這可能是由于納米材料碳纖維復合材料中納米顆粒的摻入，促使環(huán)氧樹脂體系加載過程中納米顆粒優(yōu)先集中強度且擴散至周圍納米顆粒內，以此消耗部分載荷致使環(huán)氧樹脂+固化劑混合膠液耗能量增大，從而提升了復合材料韌性，優(yōu)化了整體性；納米改性材料質量分數(shù)為3.0%時，碳纖維復合材料拉伸強度最高。這就表明納米改性材料甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物可有效改善碳纖維復合材料拉伸性能。

2. 3納米改性碳纖維復合材料彎曲性能

裁剪碳纖維復合材料試樣為48 mm×13 mm×2.5 mm，比較分析基于不同質量分數(shù)納米改性材料的碳纖維復合材料試樣彎曲性能，結果具體如表3所示。

由表3可知，隨著納米改性材料質量分數(shù)的增加，碳纖維復合材料抗彎強度呈現(xiàn)為先升高后降低再升高的波形趨勢，而納米改性材料質量分數(shù)為3.0%時，碳纖維復合材料抗彎強度突降，這可能是由于碳纖維材料斷裂損傷應變較小，彎曲加載時先行破壞；納米改性碳纖維復合材料抗彎強度皆高于未改性碳纖維復合材料，這可能是由于納米改性碳纖維復合材料脆性下降，整體韌性增強。這就表明納米改性材料甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物可有效優(yōu)化健美操器材用碳纖維復合材料彎曲性能，但改性材料增加到定量時改性優(yōu)化效果會適度弱化。

2. 4納米改性碳纖維復合材料沖擊性能

裁剪碳纖維復合材料試樣為120 mm×12 mm×2.5 mm，以裂紋擴展功、沖擊形成功、總沖擊功為指標，比較分析基于不同質量分數(shù)納米改性材料的健美操器材用碳纖維復合材料試樣沖擊性能，結果具體如表4所示。

由表4可知，隨著納米改性材料質量分數(shù)的增加，健美操用碳纖維復合材料的裂紋擴展功、沖擊形成功、總沖擊功皆呈現(xiàn)出不同程度的逐漸增大趨勢，這可能是由于在納米顆粒改性處理下，碳纖維材料表面缺陷會隱匿于溝槽內被填平從而減少，以此表面承載面積增加，便可充分吸收更多沖擊能量；納米改性碳纖維復合材料沖擊性能皆優(yōu)于未改性碳纖維復合材料。這就表明納米改性材料甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物可有效增強健美操器材用碳纖維復合材料沖擊性能。

2. 5納米改性碳纖維復合材料剪切強度

裁剪碳纖維復合材料試樣為120 mm×12 mm×2.5 mm，比較分析基于不同質量分數(shù)納米改性材料的碳纖維復合材料試樣界面剪切強度，結果具體如表5所示。

由表5可知，隨著納米改性材料質量分數(shù)的增加，碳纖維復合材料的界面剪切強度表現(xiàn)為先增大后減小的態(tài)勢，納米改性材料質量分數(shù)為3.0%時，碳纖維復合材料界面剪切強度最大。但是隨著納米改性材料增加過大時，碳纖維材料表面的碳納米管濃度增大會直接影響樹脂體系對于碳纖維材料的浸潤性，而導致界面剪切強度減小。這就表明納米改性材料甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物可有效增大碳纖維復合材料界面剪切強度，但改性材料增加到定量時效果會有所減弱。

3結語

（1）納米改性材料在掃描電子顯微鏡下呈現(xiàn)出比表面積大且均勻分散度高的顯著特征，而均勻分散度高是優(yōu)化碳纖維復合材料性能的關鍵因素，可有效改善碳纖維復合材料整體性；

（2）隨著納米改性材料質量分數(shù)的增加，碳纖維復合材料拉伸強度表現(xiàn)為先升高后降低的態(tài)勢，而質量分數(shù)為3.0%時，碳纖維復合材料拉伸強度最高；碳纖維復合材料抗彎強度呈現(xiàn)為先升高后降低再升高的波形趨勢，而質量分數(shù)為3.0%時，碳纖維復合材料抗彎強度突降；碳纖維復合材料的裂紋擴展功、沖擊形成功、總沖擊功皆呈現(xiàn)出不同程度的逐漸增大趨勢；碳纖維復合材料的界面剪切強度表現(xiàn)為先增大后減小的態(tài)勢，而質量分數(shù)為3.0%時，碳纖維復合材料界面剪切強度最大。

綜上，納米改性材料可有效增強健美操器材用碳纖維復合材料拉伸性能、彎曲性能沖擊性能、界面剪切強度。

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