碳纤维复合材料动态力学性能对运动器械的影响研究

陈盼盼

（西安医学院，陕西 西安 710021）

碳纤维材料是一种碳含量超过90%的高强度高模量纤维材料，外形呈纤维状、质地柔软，在与树脂、金属等其他材料进行复合加工后可以实现固化，从而制备成不同性能和类型的复合材料[1]。例如，碳纤维材料与增强环氧树脂材料按照不同的比例进行复合加工，可以制备成不同价格、不同材料强度、不同比模量的复合材料，实现在多领域、不同场景中的应用。网球运动能够充分锻炼参与人员的腿、臀、手臂等身体各部位，是一种绝佳的室内外运动类型。随着网球运动及网球拍制造产业的发展，碳纤维等现代复合材料已经逐渐取代传统的木质、金属质材料，成为中高端网球拍制备和生产领域所使用的主要材料。碳纤维网球拍质轻、阻尼性好，能够为使用者提供良好的缓震性能，在提升使用者竞技水平的同时有效避免球拍击球时的震动对人体手腕等部位产生的影响。本文以碳纤维复合材料性能优势为出发点，对碳纤维网球拍的制备、材料研发等进行综述，旨在为网球领域、碳纤维材料领域发展提供借鉴。

1 碳纤维复合材料优势特征分析

碳纤维材料力学性能较传统的金属、木材而言具有极为显著的优势，其密度通常不到普通钢材的1/4，而其复合材料如碳纤维环氧树脂基复合材料的抗拉强度又通常可以超过3500MPa，是普通钢材的8倍左右，而抗拉弹性模量也远高于一般钢材[2-4]。图1所示为网球拍生产制备领域常用碳纤维复合材料在结构与性能上的特征分析。

图1 碳纤维复合材料特征分析Fig.1 Characteristic analysis of carbon fiber composites

1.1 结构优势

碳纤维复合材料与其他复合材料类似，其结构均具有典型的各向异性和分散相特征，即在相同类型的碳纤维复合材料制备而成的某种零部件中，沿纤维分布方向以及与纤维分布方向垂直方向在抗拉强度、拉伸模量等方面具有较大的差异，沿纤维分布方向各项力学性能均远超过纤维分布垂直方向。除力学性能外，碳纤维复合材料在导热性能、热熔、热膨胀等方面也会因这一结构特点而表现出沿纤维分布方向以及与纤维分布方向垂直方向上的差异。例如，某型号碳纤维环氧树脂基复合材料在沿纤维分布方向上的热膨胀系数为-0.1×10-6，而沿纤维分布垂直方向的热膨胀系数却为+35×10-6[5-6]。根据这一结构特征，碳纤维复合材料通常会根据具体的产品需求采用不同的纤维分布结构，从而使制备所得材料具备最佳的综合性能。

1.2 性能优势

碳纤维及其复合材料性能优势主要体现在：①质量轻，通常能够保证密度处于1.5～2 g/cm区间内，使碳纤维及其复合材料制备而成的结构件等获得同等结构钢质材料重量的1/4、铝合金材料的1/2[4]；②力学性能强，碳纤维复合材料的抗拉强度约是普通钢材的8倍左右，抗拉弹性模量约130～430 GPa，比强度可以达到2000MPa以上，约是普通钢材的4～5倍，杨氏模量能够分别达到一般玻璃纤维、凯芙拉纤维的3倍、2倍以上[4]；③抗冲击性能强，碳纤维复合材料具有极高的模量，需要施加极大的外部冲击力才能致其损坏；④阻尼性好，良好的阻尼性能够为网球拍使用者提供良好的击球手感，利用碳纤维复合材料制备而成的网球拍能够为使用者提供良好的击球手感和适当反馈力度，不会因击球力度过大而致运动员手腕或其他部位出现运动损伤。

2 碳纤维网球拍的设计选材与工艺分析

2.1 典型碳纤维网球结构

图2所示为国外某品牌WRT7392系列网球拍的典型结构。该系列网球拍框为碳纤维复合材料制备而成，框架整体采用了名为CARBON MAPPING的新型碳纤维复合材料重组工艺，使球拍在新弯矩范围内可以产生相应的变形和回弹等效果，从而在降低运动员手腕处所受冲击力的同时提供更长的击球时间和更大的击球力量；球拍的三角区采用STABLE SMART数字化设计仿真技术，在充分利用碳纤维材料结构灵活、可设计性强的优势下，使球拍在能够为使用者提供稳定性和力量的同时不失灵活性；手柄部位使用橡胶复合材料制备而成，为使用者提供良好的握感和反馈，进一步提升运动舒适性和运动防护功能。

图2 WRT7392系列网球拍的典型结构Fig.2 Typical structure of WRT7392 series tennis racket

使用碳纤维复合材料制备而成的网球拍空拍重量通常能够保持在280-340g之间，较一般铝合金材质球拍更轻且整体力学性能更好，能够为使用者提供更加柔和的使用手感；拍体整体强度更高，能够生产和制备出各种“异型框”或“异型结构件”等。

2.2 碳纤维网球拍选材因素

2.2.1 成本因素

作为一种必须投入市场进行销售的产品，碳纤维网球拍在进行选材时必须充分考虑产品的生产成本。以当前最为常见的碳纤维环氧树脂基复合材料网球拍为例，球拍中的碳纤维质量占比越高，则该球拍的成本越高、性能也越好。通常职业运动员所使用的碳纤维网球拍中碳纤维质量占比约66%，环氧树脂质量占比约34%；业余爱好者所使用的球拍碳纤维质量占比则会相应降低，环氧树脂质量占比则会相应提高，一般最为常见的碳纤维球拍中，碳纤维质量占比均保持在38%～57%之间，能够在性能与成本之间保持较好的平衡[7-9]。

2.2.2 个性化定制结构

碳纤维材料的出现，为网球拍进行更多的个性化设计提供了可能（图3）。碳纤维复合材料成型工艺具有更大的灵活性，更容易实现各种异型结构的网球拍。以网球拍中异型结构件出现频率最高的三角区（也被称为拍喉等）、拍框为例。传统的木质材料或金属材料在材料强度及重量等因素的限制下无法根据用户的喜好进行定制化制作，仅能按照固定的形状进行加工。而碳纤维复合材料的出现，在保证网球拍高性能的前提下，能够进行多种外形、结构等的设计，充分满足了用户对网球拍的个性化、定制化需求。

图3 个性化碳纤维网球拍设计Fig.3 Personalized carbon fiber tennis racket design

3 碳纤维网球拍纤维材料制备

3.1 制备原则

网球拍使用的碳纤维材料在进行制备时，除需充分考虑网球拍的基本性能、工艺特征外，还需要对网球拍应用人群对球拍“磅数”的需求，这一要求直接决定了所用材料的韧性（如冲击后压缩强度或损伤阻抗等）以及使用环境因素等。在确定碳纤维材料的设计参数以后，通过实验确定所需各碳纤维结构件的铺设角度和铺设厚度设计许用值，针对材料的冲击后压缩破坏应变等值进行试样分析，然后确定该材料符合某一型号碳纤维网球拍性能要求以后方可开始进行材料制备。

3.2 制备过程

碳纤维网球拍主要纤维材料制备流程如图4所示。碳纤维网球拍纤维材料制备总共分为8个步骤：①按照模拟分析所得碳纤维与环氧树脂质量占比调配环氧树脂溶液；②在编织机上将碳纤维束浸入环氧树脂溶液；③按照既定碳纤维排列角度等将碳纤维束编织成布状并将其附着于离型纸上；④按照一定的加工尺寸和角度进行裁剪；⑤静置于自然条件下2～3天完成风干处理；⑥将风干处理完成后的碳纤维布裁剪成规定尺寸的积层；⑦将尼龙风管包裹于积层内卷成条状并在接头处进行适当补强；⑧将卷好的碳纤维原材料置于模具内进行热压炉加热，约20～30 min以后取出并冷却，即可得到网球拍各不同零部件初胚[10]。

图4 典型碳纤维网球拍纤维材料制备流程Fig.4 Preparation process of typical carbon fiber tennis racket fiber materials

碳纤维网球拍纤维材料制备完成以后要经过钻穿线孔、研磨、涂装、装配，根据用户不同的需求还可以附上拍线、配件、拍套等，完成包装以后便可作为成品进行出售。

4 结语

不同材质的网球拍如碳纤维复合材料球拍、铝合金材料球拍等具有不同的性能。网球拍制备使用的材料直接决定了球拍的质量，如木质或部分金属材质球拍由于材料本身阻尼性较差，在长期使用过程中对手腕处会产生较大的冲击，容易造成使用人员运动损伤，主要表现为手腕疼痛、鼓包等。因此，选择恰当的材料代替传统金属质、木质材料制备网球拍，成为当前网球器械加工领域的重点研究方向之一。