碳纤维复合材料的制备及在体育器材中的应用

谢 佳，刘 冬，朱成敏

(1 新疆工程学院体育部,新疆乌鲁木齐 830000；2 昭通学院体育学院,云南昭通 657000)

碳纤维是一类无机高分子纤维材料,兼具了碳材料和塑料纤维的固有本质特性[1]。碳纤维复合材料通过碳纤维和树脂、金属、陶瓷等基体复合构成,具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、导电、导热等碳素材料的特性[2],且具有显著的柔软可加工型[3],不仅用于航空航天、医疗化工、汽车纺织等领域中,也成为当今竞技体育运动设备和器材的常用材料[4-5],很大程度上提升了运动体验和比赛成绩。基于此,本文以碳纤维复合材料为主要对象,对材料的应用性能优势进行比较,并结合碳纤维复合材料在各类体育器材中的具体应用进行实例分析。

1 碳纤维复合材料性能

1.1 材料微观结构

碳纤维复合材材料,通过以碳纤维为分散相,以塑料作为连续相构成高分子纤维物[6]。在碳纤维复合材料中,塑料为基本结构,起到结构的支撑作用,而碳纤维分散在塑料中,起到连接作用,图1 为典型的CCF300/5405 复合材料结构,可以看出,CCF300 材料和5405 材料间彼此并不接触,而CCF300 分散在塑料基体中。因此,碳纤维复合材料具备了较高的力学性能、加工成型性能、破损安全性等。

图1 碳纤维增强塑料的微观结构Fig .1 Microstructure of carbon fiber reinforced plastics

1.2 良好的力学性能

碳纤维复合材料中碳纤维为增强相,塑料作为基体相将碳纤维连续固定在一起。分散的碳纤维作为受力点能够承受应力的作用,而起连接作用的塑料则完成应力的传递[7]。通过二元相的协同作用,碳纤维复合材料具备了碳纤维和塑料的双重特性,在降低了材料自重的同时,提高了力学性能,这种质轻强高的性质被应用于体育器材原材料选择上。表1 给出了传统金属材料与CCF300/5405 碳纤维复合材料的力学性能比较,可以看出,碳纤维复合材料的优势极为显著。

表1 不同材料性能参数比较Table 1 Comparison of performance parameters of different materials

1.3 破损安全性

碳纤维复合材料在基体作用下沿着纤维方向受到拉应力时,各纤维应变保持一致。由于碳纤维主要承担应力作用,塑料基体传递应力,只有在断口处的纤维才失去了功能性,大部分纤维仍然在正常使用,即个别纤维的断裂并不会发生连锁反应[8],整个复合材料结构体还是处于一个相对稳定的状态,因此,碳纤维材料具备了很强的破坏安全性。

1.4 结构加工成型性

碳纤维是一类长条状的一维材料,增加了设计自由度,如图2 所示。纤维材料的受力情况由碳纤维的排列方向决定,纤维排列方向和方式的改变能在局部或整体提升某一方向的耐受力状态[9]。在体育器械设计方面,可根据使用者年龄、技能水平等情况进行针对性设计,最大限度提升使用者体验感。碳纤维复合材料成型方式也多种多样,如运用收缩成型、喷射成型、层压成型的方式制备性能良好,形状各异的体育器材制品。

图2 长条状碳纤维材料Fig.2 Long strips of carbon fiber material

碳纤维复合材料除了有优异的力学性能、加工成型性能、破损安全性能外,还具有良好的尺寸稳定性、抗疲劳性、较长的使用寿命特性,作为体育器材原材料,能够极大程度提升器材综合性能。

2 碳纤维复合材料的制造工艺

2.1 制备方式

利用碳纤维复合材料制造体验器材的制备方式包括缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM 成型等[10-11]。碳纤维复合材料在制造体育器材或防护用具时,可根据器材的使用条件、使用项目不同进行加工成型,表2 给出了几种典型加工成型方式的几种典型体育器材制造。

表2 体育器材加工成型方式Table 2 Forming of sports equipment

2.2 缠绕成型

缠绕成型是在专业的缠绕机上,将预浸料坯缠绕在转动芯模,经固化、除模工艺得到碳纤维复合材料制品。缠绕成型一般用于圆柱体、球体等简单旋转体以及非旋转体部件的制造质量轻的制品。缠绕成型技术可机械化生成,有效提高了生成效率,降低了劳动成本,但制品固化要去芯模处理,难以适用于钓鱼竿、高尔夫球杆类型的表面凹凸制品。

2.3 挤拉成型

挤拉成型用于纤维复合材料的连续生成。纤维束或带状物在外力作用下经浸胶、挤压、加热固化、切割工艺制作具有特点形状和长度的线形制品。拉挤过程中借助一定截面形状的成型模具将浸渍的连续纤维注入模腔固化成型,或在模腔内凝胶,在机械拉力下引拔出型材制品。制备制品时,增强纤维沿轴向平行排列,提升复合材料的强度。拉伸制品强度、质量轻的优势,为不同类型体育设施的应用创造条件。

2.4 RTM 成型

RTM 成型技术是将纤维或预成胚置于密闭模腔内,将树脂注入模腔浸透预成型胚,经过固化、脱模成型。该技术适用于制造质量较高、纤维含量高、孔隙率低的复杂复合材料构件,由于制模过程中无需脱衣树脂,能保持制品表面的光洁度,同时,产品的还早周期短,可节约成本。可通过CAD 技术进行模具产品设计,成型构件能够实现局部增强,工艺成型过程中产生的挥发物质较少,对环境破坏较低,因此,RTM 技术一般用于制作大批量的碳纤维复合材料构件,如自行车、皮划艇等。

2.5 模压成型

模压成型是在封闭模腔内,通过加热和压力固化获得成型制品。模压成型增强材料主要为短切纤维、连续纤维物,该方式成型效率低、制作精度高、成型表面光洁,适用于高精度和重复性高的体育器材制造。在制备复杂结构制品时,模压成型不需要进行车、刨加工,能实现一次成型,减少了对制品的损坏,因此产品具有良好的外观和可重复性,但该技术对模具设计提出了更高的要求,且对设备具有较高的要求。

3 应用实例

竞技体育中,体育器材直接影响到运动员的竞技成绩。良好的人体工学特性,优异的稳定性、弹塑性,能进一步激发运动员潜力,提升竞技状态。休闲体育中,性能和质量良好的体育器材能够让人去主动参与日常体育训练,强健体魄。当下各类生产企业从原材料入手来提升体育器材的性能,如利用碳纤维制作轻便的自行车,制作弹性优异的网球拍、羽毛球拍,做做高强度的滑冰鞋等。

3.1 球拍类体育用品

球拍类体育器材包括常见的羽毛球、网球等。球拍分为拍柄和拍面两部分。拍柄为手持端,为避免剧烈运动过程中出汗发生脱拍,要求拍柄有一定摩擦力。拍面作为击球接触位置,控制球运行轨迹,因此要求牌面的延伸性、减震性和抗冲击性均能达到一定要求。击球过程中,球与拍面接触,形成一定震动,降低这种冲击震动将有助于运动员采取根合适的角度和力度击球。碳纤维复合材料制备的球拍具有优良的抗震性,在保证击球稳定性同时减少了运动员的不适感,如采用缠绕成型方式加工成的网球片,球拍弹性大幅上升,击球面积相较于木质球拍提高了1.5 倍,大幅提高了击球的准确率和出球初始速度。

3.2 杆、棒类体育器材

常见的杆、棒类体育器材包括钓鱼竿、高尔夫球棒、运动撑杆等。杆、棒类体育器材要求材料有优异的弹性。如运动撑杆,需要在承重状态下迅速回弹,将运动员带至相对高度。而采用木质撑杆,质量和弹性均较差,限制了撑杆跳高成绩。采用碳纤维复合材料缠绕成型工艺制造的撑杆具备了很高的弹性模量,能将运动动能转化为弹性形变能和重力势能,大幅提升跳高成绩。如当前的撑杆记录最高能达到6.16m,与碳纤维复合材料的改良是息息相关的。钓鱼竿要求材料质轻且拉伸强度高,且能防止导电。基于注塑成型工艺制造的碳纤维钓鱼竿完全满足了钓鱼竿的性能要求。而采用缠绕成型工艺制造的高尔夫球棒同样具备了高弹高强高阻尼特性,有效提升了击球接触时间和击球距离。

3.3 板类体育器材

板类体育器材包括常见乒乓球拍、冲浪板、帆船板等,该类体育器材要求有较高的减震特性。如对于滑雪板,不仅需要足够的强度来承受运动员的体重,同时,也要足够的稳定性和减震性来降低运动过程中的转向和振动特性。采用碳纤维复合材料、芳纶-碳纤维混合制备夹心结构滑雪板,具备良好的耐摩擦耐腐蚀性,能极大程度节省运动员的体力。对于帆船和冲浪等水上运动,运动员追求竞技速度,要求帆船板质轻、耐腐蚀,碳纤维复合材料质轻、耐腐蚀的特性,与帆船等海上运动具有极高的匹配性。

此外,对于登山运动、自行车竞技等体育器材,碳纤维复合材料也体现了材料的优势。采用碳纤维复合材料制备的登山绳索具有很高的强度和耐磨性,而碳纤维复合材料的自行车的刚性和减速性得到显著提升,极大程度提升了运动会从事竞技运动的安全性。因此质轻成为运动用品的基本要求,碳纤维和塑料作为一类低密度材料,也是碳纤维复合材料在体育器材得到广泛应用的原因之一。

4 结语

碳纤维复合材料以碳纤维为增强相,以塑性材料为连续基体相,是一种性能优异的复合材料。体育器材加工制造中采用碳纤维复合材料,通过利用其质量轻、力学性能好、设计自由度大、破损安全性高的优势,在撑杆、网球拍、高尔夫球杆等体育器材领域中得到广泛应用。根据不同体验项目,调节碳纤维排列方向,进行原材料的性能设计,满足不同场合。实际应用中,根据不同的体育项目,采用合适的成型功能,能够获得高性能的体育器材,促进体育运动事业的长期发展。