體育器械用纖維復材設計與力學性能測試研究

中圖分類號：TQ323.5;TS952 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0133-04

Research on the design and mechanical properties test of fiber composite materials for sports equipment

ZHANG Lin （Shaanxi Energy Institute，Xianyang 712OOo，Shaanxi China）

Abstract：In order to improve the thermal aging resistance offiber composite materials for sports equipment，fiber compositesamples withoutdefects and prefabricated defects were designed.The densitychange，mechanical properties，load-disturbance curveand main strain distributionoffibercomposite materials without defectsand prefabricated defects under different thermal aging environments werecompared and analyzed.The results show that when the thermal aging temperature rises to 120‰ and above，the density change rate of the fiber composite decreases sharply.With the increaseof thermalaging time，the densityof the fiber composite decreases continuously，and whenthe thermalagingtime reaches 8dor more，the decrease of the density change rate becomes smaler.After the thermal aging treatmentof the defect-free fiber composite，the bending strength and maximum loadof the fiber composite willincrease with the increase of the thermal aging temperature.Compared withnon-thermal aging specimens，thermalaging will reduce the flexural modulus and maximum loadoffiber composite specimens in both defect-free and prefabricated defect modes.In the defect-free mode，there is no obvious stress concentration in the thermal aging specimen，whilein the prefabricated defect mode，stress concentration occurs in both the non-thermal aging specimenandthethermal aging specimen，and the stress distributionuniformityof the prefabricated defect fibercomposite under the same thermal aging system is significantly lower than that of the defect-fre fiber composite.

Key Words：sports equipment;fiber composite materials; prefabricated defects;heat aging treatment;mechanical property

由玻璃纖維、碳纖維制成的纖維復合材料（纖維復材）由于具有密度輕、強度高、耐腐蝕性能好等特點，在現代體育器械、航空航天、交通運輸等領域有著廣泛應用。在纖維復材作為體育器械使用時，由于體育器械使用環境較為復雜，包括嚴寒地區、高溫地區、濕熱環境或者沿海腐蝕環境等[2-3]，這些復雜服役環境會對纖維復材的使用性能產生重要的影響，嚴重情況下還會造成纖維復材體育器械發生熱老化而失效，造成安全隱患4，因此，有必要對體育器械用纖維復材的熱老化性能等進行研究。目前，纖維復材耐腐蝕性能、耐濕熱性能方面的報道相對較多，而在熱老化環境下纖維復材的力學性能變化方面的研究報道相對較少，具體作用機理及其影響因素尚不清楚[5-7]，尤其是當纖維復材器械自身在使用過程中存在缺陷時，其受熱老化環境的影響更為復雜[8]。為了提升體育器械用纖維復材的抗熱老化能力，本文設計了無缺陷和預制缺陷的纖維復材試樣，對比分析了不同熱老化環境下無缺陷和預制缺陷的纖維復材的密度變化、力學性能、荷載-擾度曲線和主應變分布，以期系統研究無缺陷和預制缺陷的纖維復材在熱老化過程中的力學性能變化，為高性能、長壽命體育器械用纖維復材的設計與開發提供參考。

1試驗部分

1.1 實驗材料

實驗材料包括EP-301型環氧樹脂（環氧當量172g/mol ，黏度1.2Pa.s，密度 1.15g/cm³"）T31型固化劑、玻璃纖維布（""），其中環氧樹脂和固化劑質量比控制在 10：3 。

1.2 試件制備

采用真空輔助樹脂灌注的方法制備纖維復合材料層合板，制備過程中預先鋪設玻璃纖維。當玻璃纖維鋪設完成后，采用真空灌注法將環氧樹脂和固化劑進行灌注，在室溫下固化2d后轉入加熱爐中進行120‰ 的固化成型，分別得到無預制缺陷和預制缺陷的纖維復材試件。將纖維復材試件置于JS-069型電熱恒溫干燥箱中進行不同溫度和保溫時間的熱老化處理，熱老化前后分別測試纖維復材試件的質量并計算密度變化[10]

1.3 測試方法

根據ASTMD7624標準對纖維復材試件進行三點彎曲性能測試[1]，加載速率為 2mm/min ，跨距設定為 48mm ，測試無預制缺陷和預制缺陷纖維復材的彎曲性能，并記錄荷載-擾度曲線，所使用設備為MTS-809型萬能材料試驗機；彎曲試驗過程中采用CMOS相機對實時數據進行拍攝，并采用Correlate2023型軟件進行應變場測試并繪制應變圖[12]。

2 結果與分析

2.1熱老化溫度和時間對密度的影響

熱老化溫度和熱老化時間對纖維復材密度變化率的影響曲線，如圖1所示。

由圖1（a）可知，當熱老化溫度為 25^°C 和 90^qC 時，纖維復材的密度變化率較小，而隨著熱老化溫度上升至 120^qC 及以上時，纖維復材的密度變化率急劇降低；由圖1（b）可知，隨著熱老化時間的延長，纖維復材的密度不斷減小，且當熱老化時間達到8d及以上時，密度變化率降低幅度變小。由此可見，熱老化溫度和熱老化時間都會對纖維復材的密度造成影響，這主要是因為在熱老化過程中，纖維復材會出現氧化分解或者水分揮發[3]，造成纖維復材整體質量隨著熱老化溫度升高或者熱老化時間延長而降低，即在熱老化過程中會出現失質進而造成密度降低。

2.2 力學性能

不同熱老化環境下纖維復材的力學性能測試結果，如表1所示。由表1可知，對無缺陷纖維復材進行熱老化處理后，纖維復材的彎曲強度和最大荷載會隨著熱老化溫度升高而增大，可見，熱老化會在一定程度上提高無缺陷纖維復材的彎曲性能，這主要是因為熱老化過程中纖維復材內部會發生不同程度固化效應，內部材料之間的交聯作用會提升并彌補質量損失對纖維復材的影響[14]，此外，在熱老化過程中，纖維復材還會發生氧化環氧反應，后固化和熱降解作用下使得纖維復材彎曲強度會有所提升[15]，且由于熱老化作用不同，在熱老化溫度為 90^qC 時纖維復材的彎曲強度低于未熱老化試樣，在熱老化溫度為120^qC 時達到了與未熱老化試樣相當的水平。

表1不同熱老化環境下纖維復材的力學性能測試結果 b.1Test Results of mechanical properties offiber composites under diferent thermal aging environments

對預制缺陷纖維復材進行熱老化處理后，纖維復材的彎曲強度、彎曲模量、最大荷載會相較未熱老化試樣有不同程度的減小，可見，熱老化會在一定程度上降低預制缺陷纖維復材的彎曲強度、彎曲模量和最大荷載。這主要是因為雖然熱老化過程中纖維復材內部會發生不同程度固化效應，內部材料之間的交聯作用會提升并彌補質量損失對纖維復材的影響，此外，在熱老化過程中，纖維復材還會發生氧化環氧反應，后固化和熱降解作用下使得纖維復材彎曲強度會有所提升，但是由于預制缺陷的存在加速了纖維復材的熱老化，其對彎曲性能降低的影響要高于內部交聯作用和固化效應[6，因此，整體上預制缺陷纖維復材的彎曲強度、彎曲模量和最大荷載會低于未熱老化試樣。

2.3荷載-擾度曲線

無缺陷熱老化試件的荷載-擾度曲線如圖2所示。

圖2無缺陷熱老化試件的荷載-擾度曲線 Fig.2Load-disturbancecurve ofdefect-free thermal agingspecimens

由圖2可知，未熱老化試件和熱老化8d試件的荷載-擾度曲線都較為相似，即在初始擾度階段，纖維復材試件的荷載快速上升，且熱老化試件的彎曲模量會相較未熱老化試件有明顯降低；此外，由于熱老化作用會使得纖維復材發生一定程度氧化，纖維復材的韌性會有所改善而剛度減小，因此，不同試件的荷載-擾度曲線斜率從大至小表現為： 90^°Cgt;150^°Cgt; 120^qCgt; 為熱老化試件。

預制缺陷熱老化試件的荷載-擾度曲線如圖3所示。

圖3預制缺陷熱老化試件的荷載-擾度曲線 Fig.3Loaddisturbancecurveofprefabricateddefective heatagingspecimens

由圖3可知，預制缺陷模式下，未熱老化試件和熱老化8d試件的荷載-擾度曲線差異性相對無缺陷纖維復材試件要大，即在初始擾度階段，未熱老化試件的荷載波動幅度較大；此外，預制缺陷模式下，相較未熱老化試件， 90^qC 熱老化8d試件、 120^qC 熱老化8d試件和 150^qC 熱老化8d試件的彎曲模量和最大荷載都有明顯減小。這主要是因為在預制缺陷過程中，熱老化對缺陷處纖維復材較為敏感，由于對荷載起主要作用的纖維在預制缺陷處已經發生了斷裂[，因此纖維復材在缺陷處會明顯降低，此外，熱老化作用下發生的氧化降解等也會造成承載能力下降[18]，因此預制缺陷試件的熱老化會對纖維復材造成更加不利的影響。

2.4主應變場

記錄加載荷載為0和200N時試件的主應變，在未施加荷載時，未熱老化試件、 90^qC 熱老化8d試件、120^qC 熱老化8d試件和 150^qC 熱老化8d試件的主應變分布較為相似，而當施加200N荷載后，未熱老化試件 90^qC 熱老化8d試件、 120^qC 熱老化8d試件和150^°C 熱老化8d試件的主應變有明顯差異，其中，未熱老化試件最大應變為 8.18% ，應力在纖維復材中分布不均，而 90^qC 熱老化8d試件、 120^qC 熱老化8d試件和 150^qC 熱老化8d試件中未出現明顯應力集中現象，應力分布較為均勻，這主要與熱老化處理后無缺陷纖維復材試件的剛度下降等有關[19]

記錄加載荷載為0和200N時試件的主應變，在未施加荷載時，未熱老化試件、 90% 熱老化8d試件、120^°C 熱老化8d試件和 150^qC 熱老化8d試件的主應變分布較為相似，而當施加200N荷載后，預制缺陷模式下，未熱老化試件、 90^qC 熱老化8d試件、 120^qC 熱老化8d試件和 150^qC 熱老化8d試件中都出現了應力集中，且相同熱老化制度下預制缺陷纖維復材的應力分布均勻程度明顯低于無缺陷纖維復材，這主要與缺陷處纖維發生斷裂，容易在受力過程中產生應力集中有關。雖然熱老化處理有助于降低纖維復材的剛度并促使應力均勻化，但是由于預制曲線的存在，預制缺陷熱老化試件中都出現了不同大小的應力集中，在相同載荷下也更容易發生變形，力學性能也相較無缺陷纖維復材試樣更低[20]。無缺陷熱老化試件和預制缺陷熱老化試件的主應變模擬結果與力學性能測試結果保持一致。

3結語

（1）當熱老化溫度為 25^qC 和 90^qC 時，纖維復材的密度變化率較小，而隨著熱老化溫度上升至 120^°C 及以上時，纖維復材的密度變化率急劇降低；隨著熱老化時間的延長，纖維復材的密度不斷減小，且當熱老化時間達到8d及以上時，密度變化率降低幅度變??；（2）對無缺陷纖維復材進行熱老化處理后，纖維復材的彎曲強度和最大荷載會隨著熱老化溫度升高而增大；對預制缺陷纖維復材進行熱老化處理后，纖維復材的彎曲強度、彎曲模量、最大荷載會相較未熱老化試樣有不同程度的減??；（3）預制缺陷模式下，相較未熱老化試件， 90^qC 熱老化8d試件、 120^qC 熱老化8d試件和 150^qC 熱老化8d試件的彎曲模量和最大荷載都有明顯減??；（4）90℃熱老化8d試件、 120^qC 熱老化8d試件和 150^qC 熱老化8d試件中未出現明顯應力集中現象，應力分布較為均勻；預制缺陷模式下，未熱老化試件 90‰ 熱老化8d試件、 120‰ 熱老化8d試件和150^qC 熱老化8d試件中都出現了應力集中，且相同熱老化制度下預制缺陷纖維復材的應力分布均勻程度明顯低于無缺陷纖維復材。

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