楊磊 韓玲

摘 要：碳纖維復(fù)合材料因其良好的性能被裝備在更多的體育器材中。針對(duì)碳纖維復(fù)合材料作為體育器材重要的材料，對(duì)其進(jìn)行了概述，并對(duì)典型的加工方法進(jìn)行了工藝優(yōu)化;還就碳纖維復(fù)合材料體育器材性能對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了應(yīng)用分析，充分的了解了碳纖維復(fù)合材料的性能表現(xiàn)，為碳纖維復(fù)合材料的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;體育器材;工藝優(yōu)化;性能分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TS952?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0040-04

Carbon fiber composite material sports equipment

technology optimization and performance

YANG Lei， HAN Ling

（Xian Medical College， Xian 710021， China）

Abstract：As an important material for sports equipment， carbon fiber composite materials are equipped in more sports equipment due to their good performance. This article first summarizes carbon fiber composite materials， optimizes typical processing methods， and analyzes the impact of carbon fiber composite sports equipment performance on sports， and conducts practical application analysis to fully understand the performance of carbon fiber composite materials and to provide a reference for the research of carbon fiber composite materials.

Key words：carbon fiber composite materials; sports equipment; process optimization; performance analysis

我國(guó)的體育事業(yè)在近些年來(lái)取得的成績(jī)有目共睹，體育事業(yè)的發(fā)展也推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是隨著國(guó)民對(duì)體育用品需求的提高，碳纖維復(fù)合材料在改善和優(yōu)化體育器材裝備性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。碳纖維復(fù)合材料裝備在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，既能夠幫助專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員提升自我，又可以使國(guó)民在使用體育器材時(shí)，獲得更加舒適和安全的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。本文也將對(duì)碳纖維材料進(jìn)行研究，并對(duì)碳纖維復(fù)合材料裝備在體育器材上的工藝與性能進(jìn)行分析。

1 碳纖維復(fù)合材料概述

1.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是一類(lèi)碳纖維通過(guò)與其他物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合加工而成的新型材料。根據(jù)設(shè)計(jì)需要碳纖維會(huì)與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合加工，來(lái)替代其他材質(zhì)來(lái)改良產(chǎn)品的性能。碳纖維材料一般具有質(zhì)量輕、耐高溫、形變穩(wěn)定、綠色環(huán)保、使用安全等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在航天、醫(yī)療、交通工具、體育器材等領(lǐng)域當(dāng)中。

1.2 碳纖維復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)

通過(guò)設(shè)備可以看到碳纖維復(fù)合材料中碳纖維是分散連續(xù)的情況，這也是它在復(fù)合材料中起到連接其他材料作為橋梁作用的原因。

1.3 碳纖維復(fù)合材料性能及性能優(yōu)勢(shì)

碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維與何種基體復(fù)合加工而成，因此基體的性質(zhì)決定了合成材料的性能。

1.3.1 力學(xué)性能表現(xiàn)

通過(guò)碳纖維與其他基體的復(fù)合加工，雖使碳纖維復(fù)合材料的整體密度降低，但提升了材料的性能。下面我們將體育器材中要求質(zhì)量較輕，但強(qiáng)度要求較高的原材料提取分析，通過(guò)不同材料性能的參數(shù)來(lái)分析碳纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)。不同材料的性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

1.3.2 減震性能表現(xiàn)

從碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)剖析屬于長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，而且集體之間纖維之間就有裂紋，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使碳纖維復(fù)合材料遇到外力時(shí)，材料纖維互相作用產(chǎn)生摩擦熱量，并抵消了外力作用，因此具備良好的粘性、彈性和減震性能[1]。

1.3.3 改變碳纖維結(jié)構(gòu)提高性能

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維的排列方向影響著復(fù)合材料的受力大小，若想實(shí)現(xiàn)某一受力方向受力加強(qiáng)，可以將碳纖維的排列方向向受力方向進(jìn)行排列;如果想要復(fù)合材料的每個(gè)方向都具有良好的力學(xué)性能，可以通過(guò)碳纖維編制外的方式進(jìn)行加強(qiáng);還可以通過(guò)控制碳纖維的含量來(lái)改變復(fù)合材料的性能。除了以上性能表現(xiàn)外，碳纖維復(fù)合材料還具有穩(wěn)定性高、環(huán)保等性能。

1.4 碳纖維復(fù)合材料運(yùn)用在體育器材上的優(yōu)勢(shì)分析

體育項(xiàng)目種類(lèi)眾多，其中有很多需要具備良好的力學(xué)性能，碳纖維復(fù)合材料通過(guò)氧化法和等離子法處理后，改善了材料粘接性差的問(wèn)題，替代其他材料應(yīng)用在自行車(chē)和賽車(chē)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料通過(guò)添加其他材料并與其符合所產(chǎn)生良好的性能。另外，添加KH550/NdFeB可以改善金屬材料在加工過(guò)程中出現(xiàn)難加工，又脆又硬等問(wèn)題;添加多巴胺改性的碳納米材料和環(huán)氧樹(shù)脂，來(lái)改善器材的外貌和耐磨性能。這些碳纖維復(fù)合材料因其良好的性能，被廣泛的應(yīng)用在體育項(xiàng)目中。

1.5 碳纖維復(fù)合材料在體育事業(yè)中的的發(fā)展趨勢(shì)

隨著碳纖維復(fù)合材料在體育器材中的廣泛應(yīng)用，科研人員和相關(guān)企業(yè)加大了對(duì)碳纖維復(fù)合材料的深入研究，我國(guó)體育器材碳纖維化的發(fā)展也將更加快速。對(duì)于未來(lái)的碳纖維復(fù)合材料之路來(lái)說(shuō)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高性能，降低生產(chǎn)加工成本，提高原材料使用效率和使用價(jià)值，減低環(huán)境的污染將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 碳纖維復(fù)合材料體育器材裝備工藝優(yōu)化

碳纖維復(fù)合材料的加工方法，在通常情況下可以很好地進(jìn)行加工，但是對(duì)于體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)提出的更高需求，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化加工方法，實(shí)現(xiàn)材料的高利用率，解決典型加工方法容易產(chǎn)生的問(wèn)題。

2.1 碳纖維復(fù)合材料典型加工方法

體育器材種類(lèi)繁多，需要具備的性能也是不盡相同，因此碳纖維復(fù)合材料的加工方法，是依據(jù)體育器材的種類(lèi)、型號(hào)和使用群體來(lái)決定的。相同的體育器材，因?yàn)榧庸すに嚨牟煌尸F(xiàn)的性能也是不同的。依照體育器材對(duì)性能的需求，將其加工成規(guī)定的形狀、類(lèi)型以及所需的性能，下面將介紹幾種典型的加工方法，具體如圖1所示。

本文提出4種典型的加工方法進(jìn)行分析，即纏繞成型、橫壓成型、RTM成型、拉擠成型加工方法，每種加工方法對(duì)應(yīng)相應(yīng)體育器材。

2.1.1 纏繞成型加工方法

這種加工方法主要應(yīng)用在高爾夫球桿、棒球桿、釣桿等桿類(lèi)體育器材中。大致的加工方法是將樹(shù)脂類(lèi)基體與碳纖維融合后形成碳纖維復(fù)合材料，其中碳纖維的排列方向符合體育器材使用時(shí)的受力方向需求，注入到模型后固化成型，此加工方法操作簡(jiǎn)單、工藝不復(fù)雜;但只適用于對(duì)規(guī)格和形狀固定的體育器材，因此不足之處是使用范圍有限[2]。

2.1.2 橫壓成型加工方法

簡(jiǎn)單來(lái)講，就是講碳纖維復(fù)合材料升溫熔融后注入到相應(yīng)的模具當(dāng)中，利用物理壓力進(jìn)行壓制成型，再經(jīng)過(guò)冷卻固化后，產(chǎn)品成型完成。優(yōu)點(diǎn)是可以大批量的生產(chǎn)，并且具有自動(dòng)化、可重復(fù)生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn);但也有前期的模具開(kāi)發(fā)成本較高，拓展性較差的缺點(diǎn)。

2.1.3 RTM成型加工方法

不同于纏繞成型和橫壓成型加工方法，其只能對(duì)固定的形狀進(jìn)行加工;RTM成型加工方法可以進(jìn)行高度的定制，解決了某些體育器材形狀不規(guī)則的問(wèn)題。加工方法是將碳纖維復(fù)合材料織物使用模具進(jìn)行預(yù)成型處理，再將樹(shù)脂基體材料熔融注入到織物預(yù)成型的模具當(dāng)中，也是經(jīng)過(guò)冷卻固化成型過(guò)程，從而得到不規(guī)則形狀的體育器材配件;缺點(diǎn)是適用于標(biāo)準(zhǔn)化程度較低的體育器材加工。

2.1.4 拉擠成型加工方法

通過(guò)對(duì)浸潤(rùn)的碳纖維基體材料量的控制，來(lái)獲得性能程度不同的體育器材。加工方法是對(duì)碳纖維材料進(jìn)行規(guī)定范圍的拉伸，通過(guò)對(duì)材料拉伸后纖維之間空隙加大，再將碳纖維投入到樹(shù)脂基體液中進(jìn)行浸潤(rùn)，最后進(jìn)行擠壓和熱固化加工而得到的體育器材。適用的范圍是簡(jiǎn)單形狀和簡(jiǎn)單規(guī)格的體育器材部件。

2.2 優(yōu)化的加工方法

典型的碳纖維復(fù)合材料加工方法，針對(duì)于簡(jiǎn)單的體育器材加工是可行的，但是面對(duì)更高的工藝和性能的需求是無(wú)法滿(mǎn)足的，因此需要對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工方法進(jìn)行優(yōu)化。本文提出了熱壓罐加工方法、真空袋壓加工方法、預(yù)浸料吹起模壓加工方法、卷管加工方法。

2.2.1 預(yù)浸料吹氣模壓加工方法

預(yù)浸料吹氣模壓加工方法的提出是為了解決體育器材在模壓過(guò)程中，中空部分無(wú)法進(jìn)行二次加工的不足。大致方法是將填充的發(fā)泡劑放入加壓模具中，隨后對(duì)其進(jìn)行加壓，而發(fā)泡劑因?yàn)閴毫Φ脑驌纹祁A(yù)浸料，完成對(duì)中空部分的加工。預(yù)浸料吹氣模壓加工方法適用于各類(lèi)球拍中，或者是中空的部件當(dāng)中，完美的解決了球拍在揮動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音的問(wèn)題，同時(shí)質(zhì)量也得到了需求控制。

2.2.2 熱壓罐加工方法

碳纖維復(fù)合材料熱壓罐加工方法，是根據(jù)體育器材的性能需求將預(yù)浸料依照順序放入模具中，毛坯進(jìn)行真空袋包裝處理，放入碳纖維熱壓罐中，目的是抑制熱壓時(shí)空氣對(duì)體育器材部件的影響，再進(jìn)行熱壓罐加熱、加壓處理，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后停止加熱、加壓后固化成型。熱壓罐加工方法多用于航天航空領(lǐng)域，因其加工工藝價(jià)格較高，加工方法相對(duì)復(fù)雜，適用于賽車(chē)領(lǐng)域等投資高昂的體育項(xiàng)目中[3]。

2.2.3 真空袋壓加工方法

真空袋壓加工方法是基于熱壓罐加工方法造價(jià)高昂的實(shí)際問(wèn)題提出的，對(duì)于某些體育項(xiàng)目并沒(méi)有那么多的投入資金，因此研制出新型碳纖維成型加工方法。熱壓罐加工方法造價(jià)成本高的原因之一是熱壓罐的固化，因此科研人員將熱壓罐改成固化爐來(lái)降低加工的成本。相對(duì)于固化爐而言，因?yàn)檫_(dá)不到熱壓罐的氣壓高度，因此部件的孔隙率也沒(méi)要達(dá)到熱壓罐加工的標(biāo)準(zhǔn)。但是通過(guò)對(duì)預(yù)浸料的深入研究發(fā)現(xiàn)，如果對(duì)其進(jìn)行改良，可以利用纖維的空隙將空氣排出，也可以實(shí)現(xiàn)低空隙率要求。

2.2.4 搓管加工方法

搓管加工方法工作原理是通過(guò)搓管機(jī)將預(yù)浸料卷成型，再利用搓管機(jī)上的熱輥裝置對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行熱軟化。隨著搓管機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將預(yù)浸料卷到管芯上，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行冷卻處理，取出后表面纏繞熱收縮膜放入烤箱進(jìn)行固化，冷卻后撕掉熱收縮膜加工完成。

3 碳纖維復(fù)合材料體育器材性能對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的綜合影響

如果將體育器材進(jìn)行分類(lèi)，大致可分成手持型、支撐型和負(fù)荷型三類(lèi)體育器材，手持型常見(jiàn)的包含桿類(lèi)和棒類(lèi)器材，例如網(wǎng)球拍、高爾夫球棒、跳高桿等;支撐型包括自行車(chē)、賽車(chē)、單雙杠等;負(fù)荷型包括啞鈴、沙包等體育器材。本文將選取部分體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，探究碳纖維復(fù)合材料體育器材性能對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的影響。

3.1 球拍類(lèi)器材分析

作為常見(jiàn)的體育器材，球拍類(lèi)包含羽毛球拍和網(wǎng)球拍等拍類(lèi)。從結(jié)構(gòu)上分析球拍分成把手和拍面，以前球拍的材質(zhì)大多是金屬框架或者是木質(zhì)拍柄，但是整體質(zhì)量相對(duì)較大，強(qiáng)度卻很低。隨著羽毛球和網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料逐漸的被運(yùn)用在體育器材上，碳纖維復(fù)合材料也實(shí)現(xiàn)了對(duì)球拍框架和球拍手柄的替代，使質(zhì)量大大減低，球拍的強(qiáng)度、減震性和延伸性卻得到了加強(qiáng)，避免激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)球拍發(fā)生變形。我國(guó)已經(jīng)有企業(yè)在對(duì)于碳纖維復(fù)合材料球拍的研究當(dāng)中加入了納米二氧化硅粒子，使碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更加均勻，利用該復(fù)合材料使球拍框架的設(shè)計(jì)變成了一體化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的增強(qiáng)了球拍的強(qiáng)度[4]。

3.2 自行車(chē)

自行車(chē)我們并不陌生，可以說(shuō)是一種全民的運(yùn)動(dòng)。老式金屬框架的自行車(chē)質(zhì)量非常重，而且某些零部件的性能并不良好容易出現(xiàn)開(kāi)裂生銹等問(wèn)題，自碳纖維復(fù)合材料運(yùn)用在汽車(chē)領(lǐng)域后，使自行車(chē)的整體質(zhì)量減輕了N倍，從整體車(chē)架到小的部件都可使用碳纖維復(fù)合材料，但是剛開(kāi)始只是適用于專(zhuān)業(yè)的自行車(chē)比賽當(dāng)中，運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)得到了大幅度的提升。隨著碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展，產(chǎn)量也越來(lái)越高，由碳纖維復(fù)合材料制作的自行車(chē)，已經(jīng)投入到百姓的消費(fèi)當(dāng)中，因其較輕的車(chē)身，過(guò)硬的質(zhì)量，已經(jīng)逐漸的被廣大車(chē)迷認(rèn)可和追捧。

3.3 撐桿跳桿

撐桿跳桿最開(kāi)始是以木質(zhì)材質(zhì)為主，無(wú)論是韌性還是質(zhì)量都相對(duì)一般，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳桿斷裂的情況，無(wú)論是運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)還是安全都無(wú)法保證。對(duì)于動(dòng)能和勢(shì)能的儲(chǔ)性也相對(duì)較差，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能無(wú)法被轉(zhuǎn)化因此影響運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展人們將玻璃纖維為材料制成跳桿，彈性更好，質(zhì)量也更輕，使運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)有了質(zhì)的飛躍。直到今天撐桿跳的跳桿已經(jīng)演變成碳纖維復(fù)合材料，由于可以改變碳纖維的排列方向，運(yùn)動(dòng)員可以根據(jù)自身的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣進(jìn)行定制，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能與跳桿良好的性能相結(jié)合，并在良好的形變彎度支持下，取得更好的跳高成績(jī)。

3.4 板類(lèi)器材

板類(lèi)器材涉及到很多種，例如滑雪板、沖浪板、乒乓球板等。本文主要研究滑雪板使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)于性能的提升和對(duì)運(yùn)動(dòng)的綜合影響。對(duì)于滑雪板來(lái)說(shuō)，需要滿(mǎn)足的性能需求是首先要有足夠的強(qiáng)度來(lái)保證滑行的平穩(wěn)和運(yùn)動(dòng)員的安全。因?yàn)檠┥享?xiàng)目的比賽速度很快，在進(jìn)行使用時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向及震動(dòng)的情況，這時(shí)就要求滑板具有一定的穩(wěn)定性及緩震性來(lái)保護(hù)運(yùn)動(dòng)員。對(duì)比木質(zhì)和金屬材質(zhì)的滑板，碳纖維復(fù)合材料能夠更好的適應(yīng)冰雪環(huán)境，無(wú)論是韌性還是彈性都優(yōu)于其他材質(zhì)，使用的體驗(yàn)也優(yōu)于另外兩種。因此材料的性能會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的健康和適用效果產(chǎn)生很大的影響。

3.5 高爾夫球棒

高爾夫球棒屬于手持類(lèi)的體育器材，依據(jù)高爾夫球這項(xiàng)運(yùn)用規(guī)則，想要擊打出理想的距離，高爾夫球棒必須具有良好的彈性。上文說(shuō)到高爾夫球棒的加工方法屬于纏繞成型加工方法，使其具有改變碳纖維的排列方向符合運(yùn)動(dòng)員發(fā)力特點(diǎn)的性能，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料的使用，使球桿的彈性得到了加強(qiáng)，那么擊打的距離也會(huì)隨之增加，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員對(duì)于理想距離的控制。

以上幾種體育器材，基本的性能要求是輕質(zhì)化，運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目不同選擇的體育器材也不同，對(duì)于制作體育器材的碳纖維復(fù)合材料的性能需求也是不同的。根據(jù)需求碳纖維復(fù)合材料都能以高性能的表現(xiàn)應(yīng)用在體育器材上，為運(yùn)動(dòng)員提供可靠的支持，為熱愛(ài)體育的人營(yíng)造良好的使用體驗(yàn)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著體育事業(yè)的發(fā)展，國(guó)民在感受到運(yùn)動(dòng)的熱潮后積極的投身當(dāng)中，營(yíng)造了全民運(yùn)動(dòng)的良好氛圍，既推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，又使國(guó)民生活質(zhì)量得到了提高。本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了較深入的分析，對(duì)比其他材料具有很大的性能優(yōu)勢(shì)。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的典型加工方法和優(yōu)化的加工方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)碳纖維復(fù)合材料在體育器材中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了性能的剖析和總結(jié)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張小躍.碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度對(duì)體育器材耐磨性能的影響[J].合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（4）：160-162.

[2] 王靜.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其在體育娛樂(lè)器材中的應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用，2019，48（6）：137-140.

[3] 劉冬，謝佳.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性及其在體育器材中的應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（4）：144-146.

[4] 劉亞飛.體育器材用CFRPA6復(fù)合材料的制備及其性能[J].合成樹(shù)脂及塑料，2020，37（1）：51-55.

[5] 權(quán)華.高性能復(fù)合材料體育器材對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展影響分析[J].合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（6）：153-155.