碳纤维复合材料体育器材装备工艺优化与性能

杨磊 韩玲

摘 要：碳纤维复合材料因其良好的性能被装备在更多的体育器材中。针对碳纤维复合材料作为体育器材重要的材料，对其进行了概述，并对典型的加工方法进行了工艺优化;还就碳纤维复合材料体育器材性能对体育运动的影响进行了应用分析，充分的了解了碳纤维复合材料的性能表现，为碳纤维复合材料的研究提供借鉴。

关键词：碳纤维复合材料;体育器材;工艺优化;性能分析

中图分类号：TS952       文献标识码：A 文章编号：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

我国的体育事业在近些年来取得的成绩有目共睹，体育事业的发展也推动了国民经济的发展。但是随着国民对体育用品需求的提高，碳纤维复合材料在改善和优化体育器材装备性能方面表现优异。碳纤维复合材料装备在体育运动领域，既能够帮助专业运动员提升自我，又可以使国民在使用体育器材时，获得更加舒适和安全的运动体验。本文也将对碳纤维材料进行研究，并对碳纤维复合材料装备在体育器材上的工艺与性能进行分析。

1 碳纤维复合材料概述

1.1 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料是一类碳纤维通过与其他物质进行复合加工而成的新型材料。根据设计需要碳纤维会与树脂、金属、陶瓷等物质进行复合加工，来替代其他材质来改良产品的性能。碳纤维材料一般具有质量轻、耐高温、形变稳定、绿色环保、使用安全等特点，被广泛的应用在航天、医疗、交通工具、体育器材等领域当中。

1.2 碳纤维复合材料微观结构

通过设备可以看到碳纤维复合材料中碳纤维是分散连续的情况，这也是它在复合材料中起到连接其他材料作为桥梁作用的原因。

1.3 碳纤维复合材料性能及性能优势

碳纤维复合材料是由碳纤维与何种基体复合加工而成，因此基体的性质决定了合成材料的性能。

1.3.1 力学性能表现

通过碳纤维与其他基体的复合加工，虽使碳纤维复合材料的整体密度降低，但提升了材料的性能。下面我们将体育器材中要求质量较轻，但强度要求较高的原材料提取分析，通过不同材料性能的参数来分析碳纤维复合材料的性能优势。不同材料的性能参数对比如表1所示。

1.3.2 减震性能表现

从碳纤维复合材料的结构剖析属于长链结构，而且集体之间纤维之间就有裂纹，这些结构特点使碳纤维复合材料遇到外力时，材料纤维互相作用产生摩擦热量，并抵消了外力作用，因此具备良好的粘性、弹性和减震性能[1]。

1.3.3 改变碳纤维结构提高性能

通过研究发现，碳纤维的排列方向影响着复合材料的受力大小，若想实现某一受力方向受力加强，可以将碳纤维的排列方向向受力方向进行排列;如果想要复合材料的每个方向都具有良好的力学性能，可以通过碳纤维编制外的方式进行加强;还可以通过控制碳纤维的含量来改变复合材料的性能。除了以上性能表现外，碳纤维复合材料还具有稳定性高、环保等性能。

1.4 碳纤维复合材料运用在体育器材上的优势分析

体育项目种类众多，其中有很多需要具备良好的力学性能，碳纤维复合材料通过氧化法和等离子法处理后，改善了材料粘接性差的问题，替代其他材料应用在自行车和赛车领域。碳纤维复合材料通过添加其他材料并与其符合所产生良好的性能。另外，添加KH550/NdFeB可以改善金属材料在加工过程中出现难加工，又脆又硬等问题;添加多巴胺改性的碳纳米材料和环氧树脂，来改善器材的外貌和耐磨性能。这些碳纤维复合材料因其良好的性能，被广泛的应用在体育项目中。

1.5 碳纖维复合材料在体育事业中的的发展趋势

随着碳纤维复合材料在体育器材中的广泛应用，科研人员和相关企业加大了对碳纤维复合材料的深入研究，我国体育器材碳纤维化的发展也将更加快速。对于未来的碳纤维复合材料之路来说，优化生产工艺，提高性能，降低生产加工成本，提高原材料使用效率和使用价值，减低环境的污染将是未来的发展趋势。

2 碳纤维复合材料体育器材装备工艺优化

碳纤维复合材料的加工方法，在通常情况下可以很好地进行加工，但是对于体育运动事业提出的更高需求，还需要进一步的优化加工方法，实现材料的高利用率，解决典型加工方法容易产生的问题。

2.1 碳纤维复合材料典型加工方法

体育器材种类繁多，需要具备的性能也是不尽相同，因此碳纤维复合材料的加工方法，是依据体育器材的种类、型号和使用群体来决定的。相同的体育器材，因为加工工艺的不同所呈现的性能也是不同的。依照体育器材对性能的需求，将其加工成规定的形状、类型以及所需的性能，下面将介绍几种典型的加工方法，具体如图1所示。

本文提出4种典型的加工方法进行分析，即缠绕成型、横压成型、RTM成型、拉挤成型加工方法，每种加工方法对应相应体育器材。

2.1.1 缠绕成型加工方法

这种加工方法主要应用在高尔夫球杆、棒球杆、钓杆等杆类体育器材中。大致的加工方法是将树脂类基体与碳纤维融合后形成碳纤维复合材料，其中碳纤维的排列方向符合体育器材使用时的受力方向需求，注入到模型后固化成型，此加工方法操作简单、工艺不复杂;但只适用于对规格和形状固定的体育器材，因此不足之处是使用范围有限[2]。

2.1.2 横压成型加工方法

简单来讲，就是讲碳纤维复合材料升温熔融后注入到相应的模具当中，利用物理压力进行压制成型，再经过冷却固化后，产品成型完成。优点是可以大批量的生产，并且具有自动化、可重复生产、生产效率高的优点;但也有前期的模具开发成本较高，拓展性较差的缺点。

2.1.3 RTM成型加工方法

不同于缠绕成型和横压成型加工方法，其只能对固定的形状进行加工;RTM成型加工方法可以进行高度的定制，解决了某些体育器材形状不规则的问题。加工方法是将碳纤维复合材料织物使用模具进行预成型处理，再将树脂基体材料熔融注入到织物预成型的模具当中，也是经过冷却固化成型过程，从而得到不规则形状的体育器材配件;缺点是适用于标准化程度较低的体育器材加工。

2.1.4 拉挤成型加工方法

通过对浸润的碳纤维基体材料量的控制，来获得性能程度不同的体育器材。加工方法是对碳纤维材料进行规定范围的拉伸，通过对材料拉伸后纤维之间空隙加大，再将碳纤维投入到树脂基体液中进行浸润，最后进行挤压和热固化加工而得到的体育器材。适用的范围是简单形状和简单规格的体育器材部件。

2.2 优化的加工方法

典型的碳纤维复合材料加工方法，针对于简单的体育器材加工是可行的，但是面对更高的工艺和性能的需求是无法满足的，因此需要对碳纤维复合材料加工方法进行优化。本文提出了热压罐加工方法、真空袋压加工方法、预浸料吹起模压加工方法、卷管加工方法。

2.2.1 预浸料吹气模压加工方法

预浸料吹气模压加工方法的提出是为了解决体育器材在模压过程中，中空部分无法进行二次加工的不足。大致方法是将填充的发泡剂放入加压模具中，随后对其进行加压，而发泡剂因为压力的原因撑破预浸料，完成对中空部分的加工。预浸料吹气模压加工方法适用于各类球拍中，或者是中空的部件当中，完美的解决了球拍在挥动时会产生噪音的问题，同时质量也得到了需求控制。

2.2.2 热压罐加工方法

碳纤维复合材料热压罐加工方法，是根据体育器材的性能需求将预浸料依照顺序放入模具中，毛坯进行真空袋包装处理，放入碳纤维热压罐中，目的是抑制热压时空气对体育器材部件的影响，再进行热压罐加热、加压处理，达到设计要求后停止加热、加压后固化成型。热压罐加工方法多用于航天航空领域，因其加工工艺价格较高，加工方法相对复杂，适用于赛车领域等投资高昂的体育项目中[3]。

2.2.3 真空袋压加工方法

真空袋压加工方法是基于热压罐加工方法造价高昂的实际问题提出的，对于某些体育项目并没有那么多的投入资金，因此研制出新型碳纤维成型加工方法。热压罐加工方法造价成本高的原因之一是热压罐的固化，因此科研人员将热压罐改成固化炉来降低加工的成本。相对于固化炉而言，因为达不到热压罐的气压高度，因此部件的孔隙率也没要达到热压罐加工的标准。但是通过对预浸料的深入研究发现，如果对其进行改良，可以利用纤维的空隙将空气排出，也可以实现低空隙率要求。

2.2.4 搓管加工方法

搓管加工方法工作原理是通过搓管机将预浸料卷成型，再利用搓管机上的热辊装置对预浸料进行热软化。随着搓管机的转动将预浸料卷到管芯上，达到设计要求后进行冷却处理，取出后表面缠绕热收缩膜放入烤箱进行固化，冷却后撕掉热收缩膜加工完成。

3 碳纤维复合材料体育器材性能对体育运动的综合影响

如果将体育器材进行分类，大致可分成手持型、支撑型和负荷型三类体育器材，手持型常见的包含杆类和棒类器材，例如网球拍、高尔夫球棒、跳高杆等;支撑型包括自行车、赛车、单双杠等;负荷型包括哑铃、沙包等体育器材。本文将选取部分体育运动项目，探究碳纤维复合材料体育器材性能对体育运动的影响。

3.1 球拍类器材分析

作为常见的体育器材，球拍类包含羽毛球拍和网球拍等拍类。从结构上分析球拍分成把手和拍面，以前球拍的材质大多是金属框架或者是木质拍柄，但是整体质量相对较大，强度却很低。随着羽毛球和网球运动的发展，碳纤维复合材料逐漸的被运用在体育器材上，碳纤维复合材料也实现了对球拍框架和球拍手柄的替代，使质量大大减低，球拍的强度、减震性和延伸性却得到了加强，避免激烈运动时球拍发生变形。我国已经有企业在对于碳纤维复合材料球拍的研究当中加入了纳米二氧化硅粒子，使碳纤维复合材料的结构更加均匀，利用该复合材料使球拍框架的设计变成了一体化结构，进一步的增强了球拍的强度[4]。

3.2 自行车

自行车我们并不陌生，可以说是一种全民的运动。老式金属框架的自行车质量非常重，而且某些零部件的性能并不良好容易出现开裂生锈等问题，自碳纤维复合材料运用在汽车领域后，使自行车的整体质量减轻了N倍，从整体车架到小的部件都可使用碳纤维复合材料，但是刚开始只是适用于专业的自行车比赛当中，运动员的成绩得到了大幅度的提升。随着碳纤维复合材料的发展，产量也越来越高，由碳纤维复合材料制作的自行车，已经投入到百姓的消费当中，因其较轻的车身，过硬的质量，已经逐渐的被广大车迷认可和追捧。

3.3 撑杆跳杆

撑杆跳杆最开始是以木质材质为主，无论是韧性还是质量都相对一般，有时会出现跳杆断裂的情况，无论是运动员的成绩还是安全都无法保证。对于动能和势能的储性也相对较差，运动员的动能无法被转化因此影响运动员的成绩。经过不断的发展人们将玻璃纤维为材料制成跳杆，弹性更好，质量也更轻，使运动员的成绩有了质的飞跃。直到今天撑杆跳的跳杆已经演变成碳纤维复合材料，由于可以改变碳纤维的排列方向，运动员可以根据自身的运动习惯进行定制，运动员的动能与跳杆良好的性能相结合，并在良好的形变弯度支持下，取得更好的跳高成绩。

3.4 板类器材

板类器材涉及到很多种，例如滑雪板、冲浪板、乒乓球板等。本文主要研究滑雪板使用碳纤维复合材料对于性能的提升和对运动的综合影响。对于滑雪板来说，需要满足的性能需求是首先要有足够的强度来保证滑行的平稳和运动员的安全。因为雪上项目的比赛速度很快，在进行使用时会发生转向及震动的情况，这时就要求滑板具有一定的稳定性及缓震性来保护运动员。对比木质和金属材质的滑板，碳纤维复合材料能够更好的适应冰雪环境，无论是韧性还是弹性都优于其他材质，使用的体验也优于另外两种。因此材料的性能会对运动员的健康和适用效果产生很大的影响。

3.5 高尔夫球棒

高尔夫球棒属于手持类的体育器材，依据高尔夫球这项运用规则，想要击打出理想的距离，高尔夫球棒必须具有良好的弹性。上文说到高尔夫球棒的加工方法属于缠绕成型加工方法，使其具有改变碳纤维的排列方向符合运动员发力特点的性能，通过碳纤维复合材料的使用，使球杆的弹性得到了加强，那么击打的距离也会随之增加，实现运动员对于理想距离的控制。

以上几种体育器材，基本的性能要求是轻质化，运动项目不同选择的体育器材也不同，对于制作体育器材的碳纤维复合材料的性能需求也是不同的。根据需求碳纤维复合材料都能以高性能的表现应用在体育器材上，为运动员提供可靠的支持，为热爱体育的人营造良好的使用体验[5]。

4 结语

随着体育事业的发展，国民在感受到运动的热潮后积极的投身当中，营造了全民运动的良好氛围，既推动了国民经济的发展，又使国民生活质量得到了提高。本文对碳纤维复合材料进行了较深入的分析，对比其他材料具有很大的性能优势。对于碳纤维复合材料的典型加工方法和优化的加工方法进行了阐述，并对碳纤维复合材料在體育器材中的实际应用进行了性能的剖析和总结。

【参考文献】

[1] 张小跃.碳纤维复合材料强度对体育器材耐磨性能的影响[J].合成材料老化与应用，2020，49（4）：160-162.

[2] 王静.纤维增强复合材料及其在体育娱乐器材中的应用[J].合成材料老化与应用，2019，48（6）：137-140.

[3] 刘冬，谢佳.碳纤维增强复合材料特性及其在体育器材中的应用[J].合成材料老化与应用，2020，49（4）：144-146.

[4] 刘亚飞.体育器材用CFRPA6复合材料的制备及其性能[J].合成树脂及塑料，2020，37（1）：51-55.

[5] 权华.高性能复合材料体育器材对竞技体育发展影响分析[J].合成材料老化与应用，2020，49（6）：153-155.