李娜

摘要：現(xiàn)代競技體育不斷刷新人類的運(yùn)動(dòng)極限，給專業(yè)體育器材提出了更高的要求，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一種熱固性高性能復(fù)合材料，對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料在自行車、網(wǎng)球、羽毛球和曲棍球中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造的運(yùn)動(dòng)器材的性能得到了極大的提升，在熱性能、界面性能、力學(xué)性能和抗疲勞性能方面都有顯著的效果。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料被廣泛用于體育器材的改進(jìn)，對促進(jìn)競技體育的進(jìn)一步發(fā)展具有良好的前景和巨大的潛力。

關(guān)鍵詞：碳纖維；環(huán)氧樹脂；聚合物復(fù)合材料；運(yùn)動(dòng)器材

中圖分類號(hào)：TQ342+.742??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???????? 文章編號(hào)：1001-5922（2023）03-0069-04

Research? on the properties? of carbon fiber/epoxycomposite materials? and? its? effects? on? sports? equipment

LI Na

（XinJiang Normal University，XinJiang Urumqi 830000）

Abstract： Modern competitive sports constantly refresh human movement limit，put forward higher requirements for professional sports equipment，and promote the continuous and rapid development of advanced performance sports equipment. Among them，the material performance of sports equipment is the key to restricting the function of sports equipment，and is also an indispensable factor in achieving sports breakthrough. Various polymer composites standout among the new materials because of their outstanding advantages such as high temperature resistance，cor- rosion resistance，light weight，high mechanical strength，durability and so on. Carbon fiber reinforced epoxy resin composite? is? a thermosetting? high-performance? composite，which? can? be used to? manufacture? advanced? aircraft parts. It is a polymer composite with superior comprehensive properties. This study summarized the role of carbon fi- ber reinforced epoxy resin in bicycle，tennis，badminton and hockey. The results showed that the performance of sports equipment made of carbon fiber reinforced epoxy resin composites had been greatly improved，and had signif- icant effects on thermal properties，interface properties，mechanical properties and fatigue resistance. Therefore，car- bon fiber reinforced epoxy composites are widely used in the improvement of sports equipment，which has a good prospect and great potential to promote the further development of competitive sports.

Keywords： carbon fiber；epoxy resin；polymer composites；sports equipment

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，越來越多的人放松地投入到各種體育運(yùn)動(dòng)中去，積極的運(yùn)動(dòng)不僅可以鍛煉身體，還可以改善自己的愛好，現(xiàn)代體育競賽的快速發(fā)展除了專業(yè)科學(xué)的訓(xùn)練，完善的物質(zhì)和技術(shù)保障以外，也離不開運(yùn)動(dòng)器材的性能的不斷改進(jìn)與提升[1]?，F(xiàn)代競技體育在不斷接近或突破人類極限的同時(shí)，對專業(yè)體育器材的挑戰(zhàn)也提出了更高的要求。體育器材的作用尤為重要。選材已成為體育器材選材的一個(gè)重要方面，不同的選材所帶來的效果是不同的[2]。傳統(tǒng)體育用品大多采用木材和復(fù)合材料，材料的物理特性受到限制，材料不耐高溫，易腐蝕，彈性差，體育成績很難有實(shí)質(zhì)性突破[3-5]。由于聚合物復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、設(shè)計(jì)靈活、加工方便等特點(diǎn)，在現(xiàn)代體育器材領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6-8]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其優(yōu)異的機(jī)械和熱性能，在汽車、建筑、航空航天、體育和軍事工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備采用預(yù)浸料的方式，“預(yù)浸料”由一種增強(qiáng)纖維組成，該纖維在成型過程之前已被樹脂浸漬[9-10]。它被形成所需的形狀，然后通過加熱固化。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂質(zhì)量輕、力學(xué)強(qiáng)度大、彎曲性能好，同時(shí)高度耐腐蝕和疲勞損傷，可以被運(yùn)用于制造先進(jìn)飛機(jī)的材料，也可以用于制造性能優(yōu)異的體育運(yùn)動(dòng)器材[11]。

通過綜合分析碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱性能、界面性能、力學(xué)性能和抗疲勞性能，從而更有效、更準(zhǔn)確地確定碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的效果。本文分析了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料對運(yùn)動(dòng)器材性能的影響，評(píng)價(jià)了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料對提高運(yùn)動(dòng)器材的性能具有的作用。

1 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料

1.1 碳纖維的特性

碳纖維的含碳量比無機(jī)聚合物高90%，其中最主要的組成部分是成六面形的C6石墨纖維結(jié)構(gòu)組成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@樣的一種微觀結(jié)構(gòu)，從而賦予了碳纖維出色的軸向強(qiáng)度與模量，其絕對值與高強(qiáng)度相接近，而碳纖維的密度僅為高強(qiáng)度鋼的19%，這樣下來其比模量達(dá)到了鋼的近5倍；而且碳石墨纖維的膨脹系數(shù)極其之小，比其他的材料幾乎是小了差不多1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，從而其在高溫下不會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，具有很好的耐久疲勞性。另外，碳纖維具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，而且由于密度低，能夠顯著減少材料本身自重等[12-13]。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新型材料，碳纖維與聚合物組成的復(fù)合材料能夠顯著提升其抗拉性能與彎曲性能，碳纖維樹脂復(fù)合材料與其他材料性能的對照如表1所示。

1.2 碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料特性

碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料由基材（環(huán)氧樹脂），增強(qiáng)纖維（碳纖維）和交聯(lián)部分（界面）組成。這個(gè)也就是說，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料特性不單單取決于環(huán)氧樹脂、碳纖維它們各自的性能和功能，與2種材料的相互的相容性也有很大的關(guān)系[14-15]。碳纖維良好的耐化學(xué)性和耐候性復(fù)合材料的改性通?；诮缑娓男?，對于碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，與樹脂混合的碳納米管僅添加樹脂基體，而不形成梯度界面層，碳纖維在環(huán)氧樹脂中的界面相容性為佳，能夠顯著增強(qiáng)善環(huán)氧樹脂的機(jī)械力學(xué)性能，如比強(qiáng)度、比剛度和尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，環(huán)氧樹脂所具有的良好的耐化學(xué)性和耐候性也得到了充分的保留和實(shí)現(xiàn)，使其成為航空航天、軌道交通和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用的理想選擇。

1.3 碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在體育用品中應(yīng)用的優(yōu)勢

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料用于體育器材，傳統(tǒng)的體育運(yùn)動(dòng)器材所采用的材料無論是木頭、鋼鐵、鋁合金等材料總是或多或少的存在對其功能提升存在較大制約因素的缺陷，或者是質(zhì)量太重，或者是剛性或彈性不足，易折斷或損壞；或者是在一些嚴(yán)苛的環(huán)境中耐候性能不佳。鈦合金運(yùn)動(dòng)器材雖然也能夠解決上述問題缺陷，但是鈦合金體育運(yùn)動(dòng)器材價(jià)格昂貴加工困難，與鈦合金材料相比，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造的運(yùn)動(dòng)器材其性能不輸于鈦合金材料，其更容易加工成型，因此，極大地降低了加工成本，具有顯著優(yōu)勢[16-17]。

1.3.1 質(zhì)量輕

在一些競技體育的比賽中，在保證運(yùn)動(dòng)器材功能的基礎(chǔ)上，降低材料的質(zhì)量，有助于減少運(yùn)動(dòng)員體能的消耗，降低環(huán)境阻力，比如采用質(zhì)量更輕的自行車、帆板、滑雪板等都能夠使運(yùn)動(dòng)員的成績得到進(jìn)一步提升，像20 km公路自行車比賽用自行車的質(zhì)量每減少1 kg，可以使其最終成績提升20～30 s。采用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料其密度只有鋁合金的60%，因此，在這方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

1.3.2? 良好的力學(xué)性能

由于專業(yè)運(yùn)動(dòng)器材往往在接近人類力量與技巧極限的競技比賽中發(fā)揮其作用，在這一過程中，往往需要承受運(yùn)動(dòng)員完成各項(xiàng)專業(yè)技術(shù)動(dòng)作所產(chǎn)生的受力過程，因此，這就要求這些運(yùn)動(dòng)器材必須具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在其設(shè)定壽命期限內(nèi)能夠承受這些受力過程而不至于發(fā)生損壞，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、模量和比模量都很高，而且碳纖維發(fā)生斷裂，環(huán)氧樹脂材料的阻尼作用可以防止材料整體失效；而碳纖維的存在也可以使環(huán)氧樹脂的裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)大，這在運(yùn)動(dòng)器材制造中是一項(xiàng)不可多得的優(yōu)勢。

1.3.3 易于外形設(shè)計(jì)

復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展使得其設(shè)計(jì)自由度比傳統(tǒng)材料有了很大的提高，各種產(chǎn)品總能根據(jù)玩家自身的不同情況找到相應(yīng)的成型方法。由于碳纖維復(fù)合材料在加工過程中也具有良好的塑性，因此其設(shè)計(jì)更加多樣化。傳統(tǒng)材料制成的運(yùn)動(dòng)器材由于材料本身的性能會(huì)受到限制，但復(fù)合材料的可塑性使人們對材料的設(shè)計(jì)空間更大。因此，可以根據(jù)用戶的不同需求進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，這是傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的。

1.3.4 其他的優(yōu)勢

在體育器材材料選擇上須考慮到環(huán)境友好和成本效益，而碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，在使用過程中不會(huì)揮發(fā)或釋放有毒有害物質(zhì)，而且材料回收方便，可以再次循環(huán)加工利用，原材料及生產(chǎn)加工成本不高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的性能分析與性能

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中碳纖維的楊氏模量是玻璃纖維的3倍多，是氨綸纖維的2倍左右。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的耐腐蝕性也很好。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的發(fā)明是材料史上的一次革命。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料以其高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐疲勞、導(dǎo)電性、質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，成為取代傳統(tǒng)材料的高性能材料的首選。

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的界面為非極性界面，纖維表面沒有活性官能團(tuán)，使得碳纖維與樹脂基體的界面粘接性能相對較弱。而界面又是增強(qiáng)體與基體之間的橋梁，因此碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面的性能在很大程度上決定著復(fù)合材料的性能[18]。良好的界面性能，有利于確?；w材料與增強(qiáng)纖維之間的載荷傳遞的有效性，防止內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，從而降低應(yīng)力集中，提高復(fù)合材料的最終性能。為了提高碳纖維和環(huán)氧樹脂之間的界面性能，大多數(shù)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料都需要進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的內(nèi)容包括除去纖維表面雜質(zhì)，蝕刻纖維表面以增加纖維界面能，引入具有極性的官能團(tuán)或無機(jī)納米粒子與樹脂形成中間層。

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料損傷擴(kuò)展規(guī)律的分析研究如圖1所示。

通過分析圖1中的數(shù)據(jù)和趨勢，可以清楚地看到，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的損傷擴(kuò)展分為5個(gè)階段：基體開裂、界面脫膠、分層、纖維斷裂和斷裂?？梢源_定，基于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的損傷擴(kuò)展規(guī)律對運(yùn)動(dòng)器材的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

掃描電子顯微鏡（SEM）照片中未經(jīng)處理的碳纖維和酸化的碳纖維如圖2所示。

從圖2的 SEM照片可以清楚地看到，酸化后，圖2（b）中碳纖維的溝槽更加清晰，接枝的碳納米管以不同的角度粘附在纖維表面，并沿纖維表面凹槽的外緣均勻分布。接枝后，碳纖維的質(zhì)量增加了1.2%，這意味著許多碳納米管被接枝到碳纖維表面。

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸疲勞應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

復(fù)合材料的疲勞試驗(yàn)表明，在試驗(yàn)前后都需要進(jìn)行無損檢測。對于試驗(yàn)前后材料中的缺陷和損壞，沒有明顯的防護(hù)措施。材料的最大疲勞為Smax，最小疲勞為Smin。探討了疲勞對材料的影響以及界面與疲勞的關(guān)系和作用。

3 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料對運(yùn)動(dòng)器材的影響

3.1 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料對自行車性能影響

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料自行車的性能研究如圖4所示。

從圖4可以看出，與普通鋼結(jié)構(gòu)自行車相比，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料自行車車架在機(jī)械性能、熱性能、耐疲勞性和界面性能方面都有顯著改善。它為騎手節(jié)省了很多能量[19]。由此可見，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料極大地改善了自行車車架下的材料性能，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的性能優(yōu)勢明顯。

3.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料在網(wǎng)球和羽毛球拍的應(yīng)用

采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍和羽毛球拍，質(zhì)量輕，剛性應(yīng)變小，能減少球與球拍接觸時(shí)間的偏差程度；同時(shí)，良好阻尼有助于延長了球手與球的接觸時(shí)間，使擊發(fā)球獲得較大的加速度。相關(guān)研究表明，用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍與球的接觸時(shí)間達(dá)到4.9 ms，比鋼絲拍增加了近1 ms，這樣可以使網(wǎng)球獲得的最大初速度達(dá)到161 km/h，比鋼絲拍提高了接近16 km/h，這樣就可以使網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員獲得更加優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)成績[20]。

3.3 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料在曲棍球上的應(yīng)用

近年來，一種采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料制造的一體式復(fù)合曲棍球棒在國際曲棍球比賽中吸引了越來越多的運(yùn)動(dòng)員和教練員的目光，這種一體式的符合曲棍球幫的耐用性能顯著的優(yōu)于傳統(tǒng)的由棍柄和棍頭2部分的結(jié)構(gòu)。有效的避免了在激烈的比賽中，發(fā)生連接處出現(xiàn)斷裂的后果，提供更好的平衡性和使用感。而且由于這種曲棍球桿采取一體式鑄造加工，這樣也降低了制造成本。

4 結(jié)語

分析了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在自行車、網(wǎng)球、羽毛球和曲棍球中的作用。結(jié)果表明，以碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)器材的性能得到了極大的提升，在熱性能、界面性能、力學(xué)性能和抗疲勞性能方面都有顯著的效果。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的損傷擴(kuò)展分為5個(gè)階段：基體開裂、界面脫膠、分層、纖維斷裂、斷裂。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料被廣泛用于體育器材的改進(jìn)，對促進(jìn)競技體育的進(jìn)一步發(fā)展具有良好的前景和巨大的潛力。

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