體育器材中碳纖維材料的粘接工藝與其性能分析

摘 要：在全民健身理念與健身活動深入開展的趨勢下，體育相關(guān)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了高速發(fā)展，特別是體育器材設(shè)計加工日新月異，高度契合了人們的體育鍛煉需求。作為體育器材領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，碳纖維也在實時創(chuàng)新變革，以彌補塑料器材的性能缺陷，為改善優(yōu)化體育器材整體性能，需有效發(fā)揮碳纖維材料粘接力。據(jù)此，分析了體育器材用碳纖維材料的粘接工藝，并進一步闡釋了碳纖維材料綜合性能，以期能夠為體育器材性能改善提供可參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：體育器材；碳纖維材料；粘接工藝；粘接力；力學性能

中圖分類號：

TQ342+.742

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0025-04

Bonding process and performance analysis of carbon fiber materials in sports equipment

LEI Kang1，LEI Shaohua2，YANG Lei3

（1.Xi’an Eurasia University，Xi’an 710065，China;

2.Primary School Attached to Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China;

3.School of Fine Arts Education，Tianjin Academy of Fine Arts，Tianjin 300141，China；）

Abstract：Under the trend of deepening the concept of national fitness and carrying out fitness activities，the sports related industry has achieved rapid development，especially the rapidly changing design and processing of sports equipment，which highly meets people’s physical exercise needs.As a key material in the field of sports equipment，carbon fiber is also undergoing real-time innovation and transformation to overcome the performance limitations of plastic equipment.In order to improve and optimize the overall performance of sports equipment，it is necessary to effectively enhance the bonding strength of carbon fiber materials.Based on this，a detailed analysis of the bonding process of carbon fiber materials for sports equipment was provided，and the comprehensive properties of carbon fiber materials was reviewed，in order to provide a reference basis for improving the performance of sports equipment.

Key words：sports equipment；carbon fiber materials；bonding process；adhesive force；mechanical

傳統(tǒng)體育器材的顯著特性體現(xiàn)于性能不足且成本高，安全性不足且耐腐蝕性差等多個層面，在很大程度上限制了運動員技術(shù)動作的完成，以及體育運動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1-2］。為進一步優(yōu)化體育器材綜合性能，順應社會大眾對于器材的個性化與多樣化需求，各個領(lǐng)域研究學者皆嘗試對高分子塑料做了改性處理。而碳纖維材料強度高且質(zhì)量輕，阻尼性良好且耐高溫，是當前體育器材制作的優(yōu)選原料［3］。

1 體育器材中的碳纖維材料優(yōu)勢

碳纖維材料在擁有碳元素一般性能的基礎(chǔ)上，還具備超出碳元素的特殊性能，尤其是結(jié)構(gòu)與性能層面。體育器材中的碳纖維材料特殊性能［4-5］，具體如圖1所示。

（1）質(zhì)輕。不同類型體育器材對所用材料質(zhì)地要求大相徑庭，并非全部體育器材都明確要求材料質(zhì)輕，尤其是啞鈴、鉛球等。但是多數(shù)體育器材在運動過程中需以其他力量為輔助加以驅(qū)動，特別是網(wǎng)球拍、羽毛球拍、滑雪板等器材質(zhì)輕才有利于運動員節(jié)省力量。而碳纖維材料質(zhì)輕的顯著性優(yōu)勢在體育器材中的應用前景比較廣闊；

（2）力學性能優(yōu)異。碳纖維材料力學性能良好，比強度與比模量是鋼材的多倍，所以更加適用于高強度要求的體育器材設(shè)計制作中。碳纖維粉在環(huán)氧樹脂基玻璃纖維復合材料中的應用可優(yōu)化改善復合材料綜合力學性能，尤其是彎曲強度與拉伸強度；

（3）加工便捷。體育運動器材設(shè)計中碳纖維材料的應用可由運動員年齡、技能、身體狀態(tài)等因素綜合考慮以科學合理設(shè)計，以提高運動員使用體驗感。碳纖維材料加工性良好，可基于轉(zhuǎn)變材料內(nèi)纖維方向與鋪疊方式改善材料力學性能，同時還可由體育器材設(shè)計需求選擇不同工藝以生成不同類型器材；

（4）耐用性佳。大部分體育器材的應用環(huán)境為室外，勢必會深受太陽輻射、雨水、溫度、氣體等外界環(huán)境因素直接影響。即使體育器材室內(nèi)使用，處于運動強度過大的考慮，對于體育器材材料耐用性要求也比較高。而碳纖維材料耐用性良好，使用壽命長，即使經(jīng)過百次使用依舊保留約65%強度，甚至綜合性能優(yōu)異的碳纖維材料可保留約85%強度。所以用碳纖維材料加工體育器材可有效延長器材使用壽命；

（5）安全性高。碳纖維材料內(nèi)富含豐富的樹脂基體成分，沿著纖維方向拉伸時樹脂基體可面向纖維傳輸應力，確保斷裂纖維不會影響未斷裂纖維發(fā)揮作用。簡言之，碳纖維內(nèi)部纖維局部斷裂并不會對材料總體結(jié)構(gòu)造成影響，據(jù)此可知碳纖維材料破損安全性較高，將其應用于體育器材中可有效確保體育器材安全可靠性。而且碳纖維材料可反復循環(huán)利用，屬于低碳環(huán)保材料，用于體育器材可切實提高資源利用率［6-7］。

2 體育器材中碳纖維材料粘接工藝

2.1 粘接基本工藝

相較于傳統(tǒng)機械連接，粘接連接工藝更為繁瑣，且膠粘劑的工藝參數(shù)要求較高，因此需針對性進行表面處理、涂膠、膠接、固化處理，以確保形成更趨向于穩(wěn)定的膠接體系。膠接機理下體育器材中碳纖維材料的表面形態(tài)與粗糙度、清潔度等因素均與粘接接頭強度息息相關(guān)。而且膠粘劑于碳纖維材料表面的良好接觸是高膠接強度形成的必備條件。通常體育器材用碳纖維材料需經(jīng)歷長時間暴露，膠接表面勢必會沾染塵土、水漬、油脂等各種雜質(zhì)。粘接時，雜質(zhì)會阻礙膠粘劑分子擴散，影響高強度粘接界面生成。且雜質(zhì)結(jié)合力遠勝于膠粘劑結(jié)合力，致使膠粘劑分子和碳纖維材料分子間難以生成穩(wěn)定化學鍵。因此，在粘接表層進行合理處理，不僅能夠?qū)⑻祭w維材料表面清潔干凈，掃除灰塵、水分與油脂等雜質(zhì)，還能夠有效增大碳纖維材料表面粗糙度，擴大材料與膠粘劑之間的接觸面積，同時能夠以物理或化學方式實現(xiàn)材料表層活化處理，使得其與粘接之間形成強大化學鍵。此外，進行表面處理可賦予粘接接頭優(yōu)秀的高強度與耐久性特征。

不同的膠粘劑和材料間實現(xiàn)粘接的表面處理方式大相徑庭，其中體育器材用碳纖維材料打磨將在一定程度上改變材料表面結(jié)構(gòu)，因此常選擇表面處理方式，依據(jù)碳纖維材料性質(zhì)，因材施之。在膠粘劑涂抹時，應先確保其完全填充在與材料的搭接區(qū)域，最大程度上保證膠層均勻性與豐滿度。其中液態(tài)膠粘劑在涂抹后需嚴格把控膠層厚度，且合理組裝與粘合接頭。大部分結(jié)構(gòu)膠是熱固性樹脂，在常溫環(huán)境下處于流動狀態(tài)，所以膠接時想要成型必須固化處理。所謂固化就力學性能層面而言，是膠粘劑模量演化的進程，而就化學視角而言，是膠粘劑內(nèi)部分子間作用力持續(xù)強化的過程。據(jù)此可見，粘接強度與膠粘劑固化程度息息相關(guān)，膠粘劑固化質(zhì)量與粘接接頭力學性能密切關(guān)聯(lián)［8］。

2.2 粘接工藝流程

體育器材中碳纖維材料粘接工藝用材料主要包含碳纖維、膠粘劑、配置材料。其一，碳纖維。以高溫分解方式將母體纖維內(nèi)含碳元素之外的所有元素共同構(gòu)成的新型加固型材料。其二，膠粘劑。體育器材中碳纖維材料粘接工藝體系中以碳纖維作為主體原料，膠粘劑作為輔助原料，在碳纖維粘接過程中主要以底膠、找平膠、浸潤膠為膠粘劑。其中底膠以硬化層形式隔斷基層潮濕氣，防止找平膠與浸潤膠膠膜發(fā)生起泡脫落現(xiàn)象，以保障碳纖維與器材間的粘接強度，避免輕易剝離；找平膠負責修復待加固器材表層不平整，與碳纖維和器材表層緊密貼合；浸潤膠的作用是粘接碳纖維與器材。其三，配置材料。膠粘劑配置材料主要包括環(huán)氧樹脂、液體橡膠、聚醚多元醇、復配改性胺、改性脂肪族聚氨、芳香胺固化劑、縮胺。體育器材中碳纖維材料粘接工藝流程［9-10］具體如圖2所示。

（1）體育器材預處理。體育器材中碳纖維材料粘接之前需對器材表面進行清洗、平整、修補、打磨等預處理。服役中器材表面經(jīng)過使用必然會藏污納垢，若不及時清理將直接威脅其與碳纖維材料之間的粘接力度，所以需用丙酮反復擦拭以確保充分整潔［11］；體育器材使用時會由于操作不當?shù)榷嘀匾蛩禺a(chǎn)生缺陷，致使器材與碳纖維材料難以密切結(jié)合，因此采用合理配比找平膠以填補缺陷；體育器材使用時受力太重會出現(xiàn)裂痕，裂痕在0.2 nm以內(nèi)時以環(huán)氧樹脂涂刷密封，裂痕超出0.2 nm時以環(huán)氧樹脂灌入縫隙；有效發(fā)揮底膠效應的前提下消除器材缺陷，以砂輪機打磨平整，為底膠與體育器材高度粘接奠定堅實基礎(chǔ)；

（2）底膠配制與涂覆。按照一定比例將主劑和固化劑于容器中攪拌均勻生成底膠；利用滾筒刷在器材表面均勻涂抹底膠，厚度控制于0.4 mm；進行10～30 min干燥處理，直至底膠表面以手指觸碰干燥后進行后續(xù)工序，值得注意的是涂抹底膠時需合理控制溫度于5 ℃最佳，相對濕度控制在85%以內(nèi)最合適，底膠固化后以砂輪機打磨平整凸起位置；

（3）浸潤膠配制與涂覆。基于合適配比配制浸潤膠，通過低速攪拌機順時針攪拌至顏色均勻且無氣泡；利用滾筒刷在器材表面均勻涂抹浸潤膠，厚度也需控制于0.4 mm；

（4）碳纖維材料裁剪與粘接。基于體育器材裁剪尺寸合適的碳纖維材料；按照穩(wěn)準且均勻要求在體育器材表面涂覆浸潤膠；平鋪已裁剪碳纖維于浸潤膠涂抹完成的器材表面，并利用橡皮或者塑料刮輕輕地反復刮涂；粘接完成后以壓力機滾壓碳纖維表面至浸潤膠完全浸透且排出全部氣泡；多層粘貼時則利用干燥機進行干燥處理，上層碳纖維布的表層手指觸碰干燥時再進行下層碳纖維布粘貼［12］；

（5）固化處理。干燥處理環(huán)節(jié)需要避免風吹日曬、淋雨與碰撞而對粘接表層造成損傷，固化時間需控制于3～7 d；固化處理結(jié)束后碳纖維表面應均勻涂抹膠粘劑以發(fā)揮有效保護作用；

（6）質(zhì)檢。碳纖維粘貼于體育器材的具體位置和設(shè)計位置之間存在的偏差需控制于10 mm以內(nèi)，且整體粘接面積超95%，空鼓率不可超5%。

3 體育器材中碳纖維材料粘接性能

3.1 碳纖維材料力學性能

體育器材用碳纖維材料膠接接頭形式主要包括平面粘接與正交粘接。碳纖維材料應用環(huán)境不僅復雜多變且參差不齊，極易影響其粘接性能，因此，正確選擇合適的膠粘劑是確保粘接的基礎(chǔ)條件，而溫度、濕度、介質(zhì)、水分、特殊環(huán)境等多重因素對粘接性能的影響也比較顯著［13-15］，同樣值得關(guān)注。

（1）環(huán)氧樹脂體系。環(huán)氧樹脂與固化劑共同構(gòu)成了環(huán)氧膠粘劑基礎(chǔ)部分，其粘合性好、內(nèi)聚力佳、100%固含量、收縮與蠕變低、耐濕且耐溫、可改性、室溫固化。相較于丙烯酸酯體系膠粘劑，環(huán)氧膠粘劑不刺鼻、無氣味。不同溫度環(huán)境下，環(huán)氧膠粘劑在室溫與低溫下拉伸強度處于脆性斷裂狀態(tài)，高溫下處于韌性斷裂狀態(tài)，相比而言，環(huán)氧膠粘劑在不同溫度環(huán)境下的力學性能更優(yōu)；

（2）丙烯酸酯體系。丙烯酸酯膠粘劑是以丙烯酸酯類單體或者預聚物為基材，并輔以高分子彈性體、促進劑、穩(wěn)定劑、觸變劑、增稠劑等材料，在體育器材碳纖維材料粘接工藝中極易生成氫鍵，耐受許多物質(zhì)且擁有良好柔韌性。室溫環(huán)境下或適度加溫能夠快速實現(xiàn)固化定位以形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，粘接性較好。丙烯酸酯膠粘劑室溫與高溫下體現(xiàn)為韌性斷裂，低溫環(huán)境呈現(xiàn)為脆性斷裂。相較而言，高溫環(huán)境下丙烯酸酯膠粘劑膠接性能最佳，耐受性良好。

3.2 碳纖維材料粘接強度

碳纖維材料粘接強度即碳纖維材料表面涂覆膠粘劑之后，通過固化膠粘劑與碳纖維材料間形成的強度，其是衡量碳纖維材料性能的主要指標，也是評測碳纖維材料質(zhì)量的主要標準。碳纖維材料粘接強度影響因素各式各樣，主要有膠粘劑類型與質(zhì)量。通常環(huán)氧樹脂作為常用膠粘劑，粘接性能與耐化學腐蝕性能良好，可強化體育器材碳纖維材料粘接強度。

除膠粘劑類型與質(zhì)量之外，表面處理也直接影響著體育器材碳纖維材料粘接強度，常用表面處理方式主要有機械處理方式、化學處理方式、物理處理方式等等［16］。其中，機械處理方式即以砂紙與刷子對碳纖維表面進行磨砂與打磨，以提高表面粗糙度與粘接強度；化學處理方式即以氧化與硫化等化學方法處理碳纖維材料表面，以提高表面活性與粘接強度；物理處理即基于高溫高壓等條件處理碳纖維材料表面，以轉(zhuǎn)變表面結(jié)構(gòu)且提高粘接強度。實際應用時，體育器材中碳纖維材料粘接強度測試方式主要有剪切試驗、拉伸試驗、壓縮試驗等等，尤其是剪切試驗可直接測量膠粘劑與碳纖維材料間的粘接強度，是評價碳纖維材料性能的主要手段，直接受膠粘劑類型、質(zhì)量、表面處理等許多因素影響，在實踐應用時選擇合適膠粘劑與表面處理方式，以提升體育器材中碳纖維材料粘接強度，確保碳纖維材料質(zhì)量與性能。

此外，膠粘劑性能與體育器材中碳纖維材料粘接的牢固度息息相關(guān)。體育器材中碳纖維材料粘接所需膠粘劑為底膠、找平膠、浸潤膠，3種膠粘劑的性能參數(shù)大相徑庭，而各項性能皆與規(guī)定要求、標準高度契合，因此可作為碳纖維加固粘接的膠粘劑［17］。基于膠粘劑粘接的體育器材中碳纖維材料粘接強度會在拉力逐漸增大的影響下隨之減小，且達到既定狀態(tài)時碳纖維與膠粘劑高度分離從而失效；基于膠粘劑粘接的體育器材也無法保障不會損壞，只能延長使用壽命，所以疲勞強度變化象征著碳纖維材料粘接性能變化，在粘接之后碳纖維達到疲勞極限時，若超出極限勢必會發(fā)生斷裂；基于膠粘劑粘接的體育器材中碳纖維材料粘接后，若服役于潮濕環(huán)境將面臨開膠風險，而實際上體育器材通常并不會長期處于潮濕環(huán)境下所以基于膠粘劑的碳纖維材料粘接處理之后，其耐水性基本可以滿足現(xiàn)實需求與使用需要。

4 結(jié)語

體育器材是體育產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)條件，以往器材多以鋼鐵或者木材加工，性能差且安全性低，無法輔助運動員完成訓練，以塑料為原料的器材誕生雖然優(yōu)化了其性能，但是強度較低，受力過大時易斷裂，且長時間暴曬會脆化，所以在確保塑料器材性能的基礎(chǔ)上彌補其缺陷，優(yōu)化其性能則成為了研究重點。而碳纖維材料作為基于碳元素為主元素的纖維材料，可在很大程度上彌補塑料性能缺陷，優(yōu)化體育器材綜合性能，而碳纖維材料應用于體育器材中需要以膠粘劑為輔助確保粘接力度充分，據(jù)此本文主要對體育器材中碳纖維材料粘接工藝進行了詳細分析，并綜述了其粘接性能。

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