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        基于HTA-P30碳纖維高新化工材料在體育器材中的應(yīng)用與研究

        2020-06-22 07:23:22李敬凱
        合成材料老化與應(yīng)用 2020年3期
        關(guān)鍵詞:體育器材賽車(chē)碳纖維

        李敬凱

        (西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安 710089)

        現(xiàn)代的競(jìng)技體育是一項(xiàng)高標(biāo)準(zhǔn)、高科技的運(yùn)動(dòng),為了能夠更好地發(fā)揮人們的實(shí)際水平、挑戰(zhàn)人類(lèi)的極限,運(yùn)動(dòng)設(shè)備和體育器材的選擇有著很大的影響[1]。目前應(yīng)用在體育器材中最廣泛的材料是碳纖維復(fù)合材料[2-4]。由于其具有較高的韌性、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn),使得其能夠大量地應(yīng)用于高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等體育設(shè)備中。

        碳纖維材料是一種復(fù)合的材料。其原絲為瀝青、粘膠纖維和聚丙烯腈,經(jīng)氧化和碳化作用最終形成的特種纖維[5-6]。碳纖維材料的主要特點(diǎn)是密度低、抗拉強(qiáng)度大、耐化學(xué)腐蝕和導(dǎo)熱率低[7]??梢园凑詹煌男螒B(tài)、力學(xué)性能和原絲的類(lèi)型進(jìn)行劃分[8]。本文以HTA-P30碳纖維高新化工材料作為研究對(duì)象,從其微觀(guān)形貌和聚合物產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)上分析其性能。

        1 不同摻雜情況下碳纖維的彈性模量分析

        對(duì)于碳纖維材料的性能來(lái)說(shuō),其彈性模量的大小很大程度上影響其使用功能。在應(yīng)力作用下,理想的彈性材料受力會(huì)發(fā)生變形,其應(yīng)力和應(yīng)變滿(mǎn)足胡可定律公式[9],即:

        式(1)中:E、σ 、ε 分別為材料的彈性模量、應(yīng)力和應(yīng)變。

        其中,應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)應(yīng)的模量參數(shù)為:

        式(2)中:F、A0、lΔ 分別為材料所受的外力、受力面積和受力的長(zhǎng)度變化;0l為材料的原始長(zhǎng)度。

        式(3)中:G為材料的剪切模量;τ和γ分別為材料的切應(yīng)力和切應(yīng)變,θ為偏斜角。

        式(4)中:B為材料的體積模量;V0和VΔ分別為材料的原始體積和體積變化量;P為材料所受到的均布應(yīng)力。

        表1所示為摻雜不同的元素對(duì)碳纖維的彈性模量的影響。

        表1 碳纖維彈性模量分析( GPa)Table1 Carbon fiber elastic modulus analysis

        從表1中可以看出:當(dāng)碳纖維中摻雜Al和Mg時(shí),其彈性模量顯著增加。當(dāng)材料的彈性模量越大時(shí),其在受力的過(guò)程中越難變形。對(duì)于常見(jiàn)的體育器材來(lái)說(shuō),較好的剛度正好是其使用需要,故碳纖維應(yīng)用于體育器材時(shí)常添加一些其他的元素來(lái)增加其彈性模量。

        2 HTA-P30碳纖維高新化工材料性能

        碳纖維材料具有高比強(qiáng)度、耐疲勞、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn),使得其成為廣泛使用的增強(qiáng)材料。其中HTA-P30碳纖維材料已普遍應(yīng)用于航天和體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。普通的碳纖維材料在使用過(guò)程中由于其表明粘結(jié)性能差,不能與其他材料進(jìn)行良好的結(jié)合,故一般都需要進(jìn)行改進(jìn)處理。為了能夠更好地發(fā)揮碳纖維材料的特性,普遍采用的方法有氧化法[10]、電聚合法[11]、等離子法[12]和電沉積法[13]等。經(jīng)過(guò)這些方法的處理后,碳纖維表面的界面性能更好,并且最大程度上保持了碳纖維材料的原始性能。

        2.1 HTA-P30碳纖維材料的微觀(guān)形貌

        使用發(fā)射掃描電鏡對(duì)普通的碳纖維進(jìn)行觀(guān)測(cè),考察其表面的微觀(guān)形貌特征。如圖1所示為普通碳纖維的SEM照片。

        圖1 普通碳纖維的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of ordinary carbon fiber

        從圖1中可以看出:普通碳纖維的表面較光滑,只有軸向的部分有部分小的溝槽。此溝槽是碳纖維在生產(chǎn)過(guò)程中摩擦作用和表面的膠水造成的。由于普通碳纖維表面過(guò)于光滑,與其他材料的粘結(jié)性能較差,不能表現(xiàn)很好的物理性能,故需要對(duì)普通的碳纖維材料進(jìn)行加工處理。

        圖2所示為HTA-P30碳纖維分別放大1000、3000倍的SEM照片,經(jīng)過(guò)改良的HTA-P30碳纖維表面出現(xiàn)了明顯較深的溝槽,增加了其表明的粗糙度。

        圖2 HTA-P30碳纖維的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photo of HTA-P30 carbon fiber

        研究選取的HTA-P30碳纖維材料基體為環(huán)氧/胺體系,其材料性能見(jiàn)表2。

        表2 HTA-P30碳纖維材料性能Table 2 The properties of HTA-P30 carbon fiber material

        2.2 HTA-P30碳纖維電聚合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析

        圖3為普通碳纖維和HTA-P30碳纖維的紅外光譜。從圖3中可以看出, 3440cm-1是普通碳纖維表面-OH振動(dòng)吸收峰值。而HTA-P30碳纖維表面的水分已被處理,-OH吸收峰值不再明顯。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的HTA-P30碳纖維材料在2920cm-1、2850cm-1吸收的峰值明顯下降

        圖3 碳纖維的紅外光譜:(a)普通碳纖維;(b)HTA-P30碳纖維Fig.3 Infrared spectrum of carbon fiber: (a) ordinary carbon fiber; (b) HTA-P30 carbon fiber

        3 HTA-P30碳纖維在體育器材中的應(yīng)用

        3.1 在球類(lèi)運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

        碳纖維材料在球類(lèi)運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用非常廣泛。我們平常用到的羽毛球拍、網(wǎng)球拍和高爾夫球桿等都應(yīng)用到了碳纖維材料[14]。同時(shí),現(xiàn)代體育競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于體育器材的安全性能要求越來(lái)越高,在很多高標(biāo)準(zhǔn)的足球比賽和籃球比賽中,其球架和架框包括球門(mén)很多都利用了碳纖維材料。碳纖維由于其良好的彈性模量,使得其應(yīng)用在球拍時(shí)能夠達(dá)到很高的減震效果同時(shí)還很輕便和舒適。不僅能夠在一定程度上提高運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平,還能有效地激發(fā)人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)天賦。

        原始的足球和籃球球架都是用的比較硬的材料,對(duì)于球類(lèi)比賽來(lái)說(shuō)缺乏一定的彈性性能,同時(shí)還增加了運(yùn)動(dòng)員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用碳纖維材料不僅在強(qiáng)度上能夠保證,而且能夠確保運(yùn)動(dòng)員在沖擊狀態(tài)下的安全性能,讓人們更加放心地比賽。

        3.2 在自行車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用

        國(guó)際上的自行車(chē)賽車(chē)上有很多車(chē)輛都應(yīng)用了碳纖維材料。其主要應(yīng)用與車(chē)身的車(chē)架、車(chē)輪部位,這些部位應(yīng)用碳纖維材料在很大程度上能夠降低車(chē)身的自重,增加運(yùn)動(dòng)員的舒適性,還能減少騎行過(guò)程中的阻力。同時(shí),碳纖維應(yīng)用于自行車(chē)還能讓人們能夠直接的接觸新型的碳纖維材料,為大眾了解碳纖維材料提供了一個(gè)很重要的通道。

        3.3 在賽車(chē)中的應(yīng)用

        碳纖維材料應(yīng)用于賽車(chē)上與自行車(chē)有著異曲同工的效果,與之不同的是碳纖維材料應(yīng)用于賽車(chē)時(shí)需要結(jié)合一定的合金材料,從而能夠確保賽車(chē)有著可靠的強(qiáng)度[15]。另一方面,碳纖維與合金材料結(jié)合能夠在車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)吸收大量的撞擊力,增加賽車(chē)的安全性能。現(xiàn)階段的賽車(chē)由于其獨(dú)特的比賽特性,還沒(méi)有能夠發(fā)現(xiàn)一種碳纖維復(fù)合材料來(lái)代替其他合金材料的應(yīng)用。

        4 結(jié)論

        現(xiàn)階段的體育器材中應(yīng)用復(fù)合材料越來(lái)越普遍,而碳纖維材料由于其優(yōu)良的特性應(yīng)用于體育器材非常廣泛。本文通過(guò)對(duì)碳纖維的彈性模量進(jìn)行分析,表明了碳纖維材料的彈性模量能夠很好地適用于體育器材的要求。同時(shí),HTA-P30碳纖維材料相對(duì)于普通碳纖維材料,其表面粗糙,有很明顯的溝槽,能夠很好的與其他材料進(jìn)行結(jié)合發(fā)揮更好的性能。同時(shí)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的HTA-P30碳纖維高新化工材料的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定,能夠保持復(fù)合材料的整體穩(wěn)定性能。隨著體育器材的要求越來(lái)越嚴(yán)格,碳纖維材料也需要不斷的改進(jìn)才能更好地適應(yīng)整個(gè)社會(huì)的需求。

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