碳纤维复合材料强度对体育器材耐磨性能的影响

张小跃

（洛阳市教师进修学校,河南洛阳471022）

碳纤维复合材料将过去的复合材料设想成为一层没有厚度的面，但实际碳纤维复合材料界面是具有纳米以上尺寸厚度的，在结构上与增强体相是有明显差别的。碳纤维复合材料界面形成可分为两个阶段，第一阶段，是增强基体与纤维的接触与浸润过程，因增强纤维对基体分子的各种基团的吸附能力不同，在吸收的过程中，会降低表面物质的强度。使得界面聚合层在结构上会与聚合物本体产生很大的差异[1]。第二阶段为树脂的固化阶段，在此过程中，要通过物理变化才能固化形成固定的界面层。固化的结果直接决定复合材料的强度。近年来，有关碳纤维复合材料的研究已经受到许多学者的重视，若碳纤复合材料的强度得到更新深入的研究，会进一步优化碳纤维复合材料的性能，推动新型碳纤维复合材料的设计，为后续发展奠定坚实的基础。

体育器材是从事体育活动不可缺少的物质条件，尤其是竞技体育方面，体育器材的质量会直接影响比赛的效果。当前体育运动的发展比较依赖科学技术，碳纤维复合材料作为一门新兴的科学技术领域，在体育领域有着广阔的应用空间，故基于这一点，决定以碳纤维复合材料强度对体育器材耐磨性能的影响为探索主题，以实验的方式，探索碳纤维复合材料对体育器材耐磨性能的影响。

1 实验准备

1.1 实验材料

A：海宁泰尔欣新材料有限公司生产的聚丙烯睛基碳纤维。

B：东莞空客复合材料科技有限公司生产的T300 和T700 碳纤维高尔夫球杆。

C：沈阳久野化工原料有限公司生产的氢氧化钠。

D：苏州皓峰化工有限公司生产的浓硫酸。

E：山东伟多丰生物技术有限公司生产的碳酸氢铵。

F：选择沈阳久野化工原料有限公司生产的磷酸二氢铵。

G：宏森环保生产的去离子水。

H：广州洁派化工科技有限公司生产的丙酮。

I：金沐莱化工有限公司生产的无水乙醇。

J：德彦化工有限公司生产的正庚烷。

K：郑州冠达化工有限公司生产的二溴乙烷。

L：江苏海企国际股份有限公司生产的对苯磺酸。

M:选择沈阳久野化工原料有限公司生产的基硅油。

N：夏盛实业集团生产的上浆剂。

O：东莞市弘赞复合材料科技有限公司生产的环氧树脂。

P:选择欣叶豪化工有限公司生产的酚醛树脂。

1.2 样品制备装置

在本次实验中所采用的T300 和T700 碳纤维高尔夫球是选自东莞空客复合材料科技有限公司的，这两种试样是运用图1 中的电化学改性处理装置处理的[2]。

图1 电化学改性处理装置Fig. 1 Electrochemical modification treatment device

图1 为电化学改性实验装置的实体图，该方法又被称为阳极电解氧化法[3]。它是以阳极和石墨板做为阴极，以不同的酸碱盐溶液作为电解液。在不同的直流电作用下，对碳纤维表面做改性处理[4]。该方法可以适当的增大纤维表面的粗糙度和强度。以此达到改善碳纤维复合材料界面结合性能的目的。电化学改性处理装置适用于在线配套使用。在本次研究中，将采用碱性电解液做电化学改性处理，改性处理后的碳纤维复合材料强度就会发生变化。

图2 为高温除胶设备结构示意图。

图2 高温除胶设备结构示意图Fig. 2 Structure of high temperature degumming equipment

高温除胶设备是负责保护碳纤维中的N2。当进入炉体时，气流会垂直于纤维运行方向，在流过时会带走表面裂解产物，再经过排气口排出炉外[5]。废气是靠炉外引风机排出的。图2 中的气封管是负责封堵炉外空气的，若有空气从缝隙中进入炉罐，就会破坏炉内的惰性氛围[6]。

图3 为碳纤维高尔夫球杆结构图。使用碳纤维复合材料制作而成[7]。

图3 碳纤维高尔夫球杆模型Fig. 3 Carbon fiber golf club model

在实验中，还采用了德国SCHENCK 公司生产的电子万能实验机，测试两种不同强度的碳纤维复合材料对体育器材耐磨性能的影响。

1.3 实验方案

将实验准备的材料按照比例配置，实现宏观的均匀混合。按照GB3354-82 采用深圳瑞格尔有限公司生产的拉伸机，测试两种不同强度碳纤维复合材料对体育器材耐磨性能的影响，测试参数设置为V=1～6mm/min[8-9]。

2 实验结果

强度为13.67cN/dtex 的T300 碳纤维高尔夫球杆和强度为16.84 cN/dtex 的T700 碳纤维高尔夫球杆的表面形貌扫描图如图4 所示。

图4 两种碳纤维高尔夫球杆的表面形貌扫描图Fig. 4 Surface morphology of four kinds of carbon fiber golf clubs

图5 两种碳纤维高尔夫球杆的表面形貌扫描图Fig. 5 Surface morphology of four kinds of carbon fiber golf clubs

图5 是两种碳纤维高尔夫球杆断口相貌扫描图。

图5 是通过性能测试得到的结果。图5（a）的碳纤维断面边缘没有明显的应力集中点，说明在耐磨性能测试中，碳纤可以承受拉伸负荷，虽然表面出现深浅不一的轴向沟槽，但不会造成纤维断裂，影响器材的耐磨性能。而图5（b）的纤维表面是主要缺陷处，说明在承受拉伸负荷时，容易造成应力集中，造成纤维断裂。表面微小缺陷的存在都会成为纤维断裂点，经过比较后得出，强度为13.67cN/dtex 的T300 碳纤维高尔夫球杆耐磨性能相比强度为16.84 cN/dtex 的T700 碳纤维高尔夫球杆更差。

3 讨论与分析

大多数的体育器材都是由碳纤维复合材料的形式使用的，其中碳纤维增强树脂基复合材料为主要形式。碳纤维增强树脂基复合材料是用于增强体育器材的耐磨性能的，通过复合工艺制备而成的体育器材明显优于原组分材料的一类新型材料，具有高强度和耐磨性好的特点[10]，已经成为最重要体育器材结构材料之一。

从实验结果可以看出，T700 碳纤维高尔夫球杆的断口处基本均匀，只有部分纤维排列稀疏处有白点，其他部位没有。而T300 碳纤维高尔夫球杆在耐磨性能测试时，造成了严重损伤，导致横向出现纤维迹象。为了更深入了解两种试样的耐磨性能，采用电子针进一步观察了两种试样的纵截面组织和横截面组织[11],如图6 所示。

图6 两种试样的纵截面和横截面组织Fig. 6 Longitudinal section and cross section organization of two kinds of specimens

从图6 可以看出，两种试样内部均存在发亮区，说明该处导电能力较差，导致点在该处富集。图6（a）是T300 碳纤维高尔夫球杆的纵截面组织；图6（b）是T300 碳纤维高尔夫球杆的横截面组织；图6（c）是T700 碳纤维高尔夫球杆的纵截面组织；图6（d）是T700 碳纤维高尔夫球杆的横截面组织[12]。

通过对比发现，图6（a）的纤维排列均匀，但纵截面出现了凹槽，这是在打磨试样过程中纤维剥落造成的。T300 碳纤维高尔夫球杆强度只有13.67cN/dtex，强度太低，导致试样的纵截面组织中出现空洞和亮点；图6（b）是T300 碳纤维高尔夫球杆的横截面，从横截面的组织中发现，基体中出现了空洞和亮点，这是由气泡残存在基体内导致的[13]。造成气泡的原因有：（1）碳纤维树脂在稀释的过程中出现气泡；（2）在浸渍纤维前，树脂静置不充分，导致成型过程中树脂仍有气泡；（3）基体在固化的过程中，拉挤成型速度过快，导致小分子产物来不及逸出，一直残存在基体内。

另外，在实验中发现，空洞的存在严重影响了纤维与基体界面的结合[14]。在磨样的过程中，掉丝严重，导致凹槽出现。由界面浸润理论可知，若浸润时间不够，界面上就会出现空隙。在承受外力时，也会出现裂痕，严重影响器材的耐磨性能。由此，说明T300 碳纤维高尔夫球杆的耐磨性能差。

从图6 可以看出，T700 碳纤维高尔夫球杆试样的纤维表面粘附了大量的基体，从图6（c）可以看出，基体出现了台阶式断裂，说明在耐磨测试的过程中，基体裂纹是沿着界面扩展得很短。当基体穿过纤维时，纤维和基体是一起断裂的，它可以很好地将载荷传递给纤维，达到很好的耐磨性能；从图6（d）可以看出，试样亮块相比T300 碳纤维高尔夫球杆的亮块要少很多，而且没有凹槽[15]。虽然在磨样的过程中出现了掉丝的现象，但经过进一步处理，可以很好地将碳纤维复合材料中的基体固化。在固化的过程中，内部空洞逐渐消失，使得碳纤维复合材料界面结合强度得到有效的提高。

由此可知，在制备样品的过程中，若采用强度低的碳纤维复合材料会直接影响体育器材的耐磨性能，造成结构缺陷，导致体育器材耐磨性能降低。

4 结束语

通过对比强度为13.67cN/dtex 的T300 碳纤维高尔夫球杆和强度为16.84 cN/dtex 的T700 碳纤维高尔夫球杆的耐磨性能可知，碳纤维复合材料的强度会直接影响体育器材耐磨性能，若改性基体与碳纤维之间的界面结合就会增加基体的缺陷，导致体育器材耐磨性能变差。因此，强度高的碳纤维复合材料是避免体育器材内部缺陷的关键因素，故在后续的研究中，应该重点研究此项因素对体育器材的影响。