孫鶴嘉

（西安工程大學，西安 710048）

0 引言

體育運動是人們強身健體的的重要方式，全民健身熱潮的到來促進了我國體育事業(yè)的發(fā)展。在體育產(chǎn)業(yè)中，體育器材和設施對整個行業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。之前的體育設施大多采用鋼鐵或者木質結構制成，使用感很差，而且普及很困難。隨著碳纖維材料的出現(xiàn)和發(fā)展，體育運作制造行業(yè)也在發(fā)生著改變。碳纖維具有質量輕、耐腐蝕和安全性高等性能比普通塑料性能優(yōu)異，適用于體育器材的制造中[1]。

與以往傳統(tǒng)的木制、金屬制體育器械相比，碳纖維材料所具備的優(yōu)勢能夠進一步提升運動員競技水平極限，幫助運動員最大程度擺脫體育器械對自身競技水平發(fā)揮造成的負面影響。因此，本文通過制備基于L200-C型碳纖維片浸潤環(huán)氧樹脂XH 130、環(huán)氧樹脂粘膠所形成的復合材料，對體育領域通用性較高的碳纖維材料的力學性能進行實驗分析，所得到結論能夠為碳纖維材料在體育領域尤其一般愛好者水平的體育器材加工領域的發(fā)展提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 碳纖維復合新材料的力學性能測驗

1.1 試驗材料

1）碳纖維片材（Carbon fiber sheet）：實驗選用最大升力系數(shù)L200-C 型的Carbon fiber sheet。該材料的紗束抱合采用了Dispersion coefficient 不高的12KT700航空級carbon fibre，碳纖維布表面有不同方向、同一性質的玻璃纖維貼貼面，Z（經(jīng)向）順直，S（緯向）沒有交叉。

2）浸漬樹脂（Impregnating resin）：X：環(huán)氧樹脂XH 130；Y：環(huán)氧樹脂粘膠。X：Y=3：1。

1.2 制作示范樣品

如表1所示為碳纖維片材的力學性能，碳纖維織物具有韌性低、彈性低、耐壓差等特點，在拉伸時容易被破壞，需要對其進行改進制成碳纖維復合新材料。目前國外主要是采取的方法是用epoxy resin浸漬碳纖維織物，將其制作而成，在制成碳纖維復合新材料的端頭粘貼增強片，之后再進行拉伸[2]。如圖1所示為碳纖維復合新材料拉伸試樣圖，將試樣設置成長矩形進行拉伸實驗。

表1 碳纖維片材力學性能Tab.1 Mechanical Properties of carbon fiber sheet

圖1 碳纖維復合新材料拉伸試樣Fig.1 Tensile specimen of new carbon fiber composite material

長度：參照材料之后將試樣的長度設置為235mm；寬度：根據(jù)碳纖維的密度等因素，將試樣的寬度設置為15mm。

1.3 腐蝕環(huán)境下碳纖維復合新材料的力學性能試驗

1）堿溶液浸漬（Alkali solution impregnation 以下簡稱ASI）：構成堿溶液的物質配比（去離子水1L）為熟石灰118.5g，燒堿0.9g，氫氧化鉀4.2g。將實驗樣品跟ASI混合放入密閉容器中放置3個月，3個月后取出樣品。該樣品顏色無明顯變化，體重增加0.06g，但是樣品的增強片大多被腐蝕脫落了。

2）鹽溶液的浸漬（Impregnation of salt solution以下簡稱IOSS）：該溶液主要是在含量為3.5%的氯化鈉。將實驗樣品放置于IOSS 中密閉保存3個月，3個月后取出樣品，該樣品顏色同樣無明顯變化，但是體重增加0.08g，而且有將近一半的樣品表面出現(xiàn)氣泡（或漏出纖維）。

3）耐候性：將樣品進行2000h 的加速老化。實驗使用設備使用漢瞻牌Xenon lamp weathering test chamber，型號為LG-72XD。將實驗樣品進行連續(xù)光照和全面輻射（平均輻照度為550W/m2），濕潤周期為18min，干燥時間為102min。在反應周期完成之后取出樣品，樣品顏色發(fā)生變化，表面呈土灰色，重量增加0.06g，且有一些增強片脫落[3]。

1.4 試驗方法

拉伸實驗在T2002-50kn testing machine 上完成，實驗采取的樣品實驗標距為150mm，試驗數(shù)據(jù)（拉伸強度和伸長率）則是通過數(shù)據(jù)采集獲得（荷載傳感器和變形傳感器）。在數(shù)據(jù)采集中通過截取伸長率的數(shù)值來計算彈性模量，而拉伸彈性模量是在彈性模量的基礎上通過變形增加量計算從得來的。

2 實驗結果

2.1 試驗結果篩選

該試驗屬于大型樣本實驗，所需要的數(shù)據(jù)比較多，會有離群值出現(xiàn)的可能性，在計算實驗結果之前需要先進行離群值刪除[4]。如表2 所示為刪除離群值后的試驗樣本統(tǒng)計表，按照Grubbs準則進行試驗結果檢驗，在整體方差不明確的情況下，α（顯著性水平）=0.05。

表2 刪除離群值后的試驗樣本統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of test samples with outliers deleted

2.2 碳纖維復合新材料應力、應變曲線

圖3 各組試樣應力曲線變化圖Fig.3 Stress curve change diagram of each group of samples

由圖3 可知，應力曲線在第一階段為彈性直線段，在第一、二階段之間有一個應力點（基體發(fā)生屈服）。從圖中可以看出，纖維的力學性能對碳纖維復合新材料應力、應變影響很大，因為碳纖維復合新材料的體積較高，而基體比纖維模量低，兩者基本呈直線關系[5]。而第一階段的直線斜率比第二階段的大，與以上實驗相吻合。在第三階段碳纖維開始出現(xiàn)基體斷裂，但是依然存在纖維性能，對材料的強度有作用。

總而言之，碳纖維的應力曲線在第一、二階段基本相似，幾乎接近直線。而新材料在被破壞之前仍然可以保持線彈性變化，通過計算分析（碳纖維布補強加固混凝土結構）可以得出碳纖維復合新材料的應力、應變屬于線性關系，其拉伸彈性模量即為直線的斜率[6]。

碳纖維復合新材料在經(jīng)過被腐蝕之后還可以保持很好的應力、應變，這就說明腐蝕環(huán)境不會對碳纖維復合新材料的物理性質產(chǎn)生影響，與其具有的防腐蝕性和耐熱性相吻合。

2.3 腐蝕環(huán)境條件下復合新材料力學性能分析

從以上試驗可以看出，碳纖維復合新材料的各項性能是呈高斯分布的。如表3所示為碳纖維復合新材料的力學性能差異分析，碳纖維復合新材料期望和方差都屬于未知的情況下，總體參數(shù)隨方差的變化而變化，在進行假設試驗時，需要先對方差進行假設。

表3 碳纖維復合新材料力學性能差異分析表Tab.3 Difference analysis of mechanical properties of new carbon fiber composite materials

2.4 假設試驗結論

上文的試驗是在a=0.05的前提下進行的碳纖維復合新材料的力學性能假設研究，因此最后該試驗結果的準確性≥0.95[7]。

1）通過以上準備試驗可以看出，碳纖維復合新材料的拉伸強度不受腐蝕環(huán)境（堿溶液浸漬、鹽溶液的浸漬、耐候性）的影響；從均值來看變化也不太明顯；但是樣品方差在普通環(huán)境下小于腐蝕環(huán)境下，即ASI＞IOSS＞耐候性，在普通環(huán)境下的樣本標準差為280.37，在ASI 環(huán)境下的樣本標準差為542.45。因此，說明了碳纖維復合新材料在腐蝕性強的環(huán)境下的強度值的離散性比在普通環(huán)境下增大了。碳纖維復合新材料的拉伸強度受碳纖維強度的影響較大，而拉伸強度有無明顯變化取決于碳纖維的抗腐蝕性能。在以上試驗中僅在IOSS 環(huán)境下碳纖維產(chǎn)生了氣泡和外露，在一定程度上降級了碳纖維的抗腐蝕性和復合新材料的拉伸度[8]。碳纖維在受腐蝕之后其特性仍然和普通樣式一樣，這就說明增強了它的離散性，樣品在IOSS 環(huán)境下產(chǎn)生氣泡，說明IOSS 下碳纖維的強度值較低，離散性與其他環(huán)境相比最大。

2）碳纖維復合新材料在ASI、IOSS 和耐候性環(huán)境下均有明顯變化，伸長率較普通環(huán)境下變小了，ASI和IOSS環(huán)境下下降了21.17%，耐候性環(huán)境下下降了17.69%，復合新材料的變形能力受腐蝕性影響會降低。從方差方面來看，碳纖維復合新材料的離散性在經(jīng)過腐蝕之后降低了，這就表明碳纖維復合新材料的伸長率受腐蝕性影響較大。

3）彈性模量在ASI和IOSS環(huán)境下有明顯變化，在耐候性環(huán)境下無明顯變化；從均值方面來看，復合新材料的彈性模量在ASI、IOSS和耐候性環(huán)境下都降低了[9]。

3 實驗結論與討論

文章將碳纖維復合新材料置于腐蝕環(huán)境中和普通環(huán)境下的力學性能進行試驗比較，結果證實碳纖維復合新材料抗腐蝕能力強，其力學性能不會受到腐蝕環(huán)境的影響[10]。

1）碳纖維復合新材料在ASI、IOSS 和耐候性環(huán)境中拉伸強度沒有明顯變化，其中IOSS 對其的影響稍微高一些，耐候性環(huán)境中提高了其強度。

2）拉伸度在ASI、IOSS 和耐候性環(huán)境中有明顯變化，對其變形能力有一定的影響。

3）拉伸彈性模量在ASI、IOSS 環(huán)境中有明顯變化，耐候性環(huán)境對其影響較小，但是整體拉伸彈性模量會受腐蝕環(huán)境的影響。