碳纤维复合材料对高尔夫球杆阻尼性能的影响因素

徐立功， 鞠明杰（华东理工大学体育科学与工程学院，上海 200237）

碳纤维复合材料对高尔夫球杆阻尼性能的影响因素

徐立功， 鞠明杰
（华东理工大学体育科学与工程学院，上海 200237）

采用实验室自制的双组分聚氨酯基体树脂与T700碳纤维共聚制备了一系列聚氨酯基碳纤维复合材料薄板，并对其进行了静态和动态热力学性能测试。结果表明：当形变量小于0.5%及形变速率小于0.4%/s时，材料的阻尼性能不发生明显变化；碳纤维取向角度对阻尼性能有明显影响，随取向角度增大，阻尼性能下降。将实验测试结果与理论模型计算结果对比，发现两者基本吻合，为采用聚氨酯基碳纤维复合材料制备高尔夫球杆的计算提供数据参考。

阻尼性能；碳纤维复合材料；动态力学性能

高尔夫球杆在击球过程中会产生巨大的能量并以球杆发生弯曲形变的形式储存，如果阻尼性能差，能量释放速率过快，易导致手部疲劳，因此，球杆能够依靠其自身阻尼性能最大程度地慢速释放击球振动所产生的能量是十分必要的［1-3］。材料的阻尼性能Ψ由损耗因子η来表征，其结果由耗能模量E″和储能模量E′的比值决定［4］。理论上阻尼性能越好，减震作用越明显，但阻尼性能的提高一般都伴随着材料刚性的下降。而聚氨酯基碳纤维复合材料却为兼顾高阻尼性能及高刚性提供了可能。这是因为碳纤维的刚性高，阻尼性能低，而聚氨酯基体树脂则具备优异的阻尼特性［5］，且阻尼性能可根据树脂配方进行调整。因此，只要通过实验找到两者恰当的混合比例，完全有可能制备出兼备高阻尼性和高刚性的材料。

众多学者已对传统的复合材料的静态和动态力学性能进行过深入的研究，如Betzler和Slater等［6］研究了3种不同球杆在形变为0.4%及形变速率为0.1%/s时，下挥过程中球杆刚性的变化，结果发现球杆刚性在整个挥动过程中基本不发生变化；Berthelot等［7］研究了受力频率、碳纤维板的长宽比及弯曲模式对损耗因子的影响，结果发现：将应力频率从50 Hz增加到600 Hz时，凯夫拉（KEVLAR）纤维增强材料的损耗因子增加了18%，而玻璃纤维增强材料的损耗因子增加了26%，同时，将复合材料板的长宽比从5增加到100，材料的损耗因子也发生明显的变化。

目前，鲜见有科研人员对聚氨酯基碳纤维复合材料的阻尼性能进行研究，以其制备高尔夫球杆也鲜见报道。为考察其可行性，本实验用碳纤维增强聚氨酯树脂制备了7块复合材料薄板，并对这些薄板进行了一系列阻尼性能测试，研究了形变速率、形变量及薄板中碳纤维取向角对薄板阻尼性能的影响，并将实验测试数据与文献［8］理论推算数据相比较，为采用聚氨酯基碳纤维复合材料制备高尔夫球杆提供数据参考。

1　实验方法

1.1原料及制备工艺

采用日本东丽公司的T700碳纤维和根据文献［9］自制的双组分聚氨酯树脂，用模压工艺［10］制备了7块具有不同碳纤维取向角（图1）的薄板，所有薄板中纤维的体积分数均为45%，固化条件均为125℃、1 h，规格如表1所示。

1.2测试仪器及原理

动态力学性能采用日本东机产业公司型号为Rheogel-E4000的DMA（Dynamic Thermomechanical Analysis）测试仪进行测试。原理如下：每块板材在底端10 mm处被夹紧，另外一端两侧各连接一块磁极，如图2所示。信号发射器产生一个频率及强度可调的正弦信号，经信号放大器传递至电磁铁，电磁铁通过与薄板上端磁极的相互作用将呈正弦变化的能量

表1　不同碳纤维取向角的板材规格Table 1 Panels specification of different carbon fiber orientations

图2　材料阻尼性能的计算原理Fig.2 Calculation principle of materials damping performance

信号传递至薄板，此过程能量无损失；随后能量经过薄板传递至其下方的应力计量器，根据能量的前后变化计算出材料的阻尼性能。

静态力学性能采用日本岛津AG-2000A型万能试验机进行测试并对数据进行分析。测试板材在以0.01%/s的形变速率达到1%形变总量过程中的力学性能变化曲线。

2　结果与讨论

2.1形变速率对损耗因子的影响

图3为形变速率对不同碳纤维取向角薄板的损耗因子的影响示意图。从图3可以看出，当形变速率低于0.4%/s时，随形变速率的变化，1#～7#薄板损耗因子无明显变化，说明材料的模量（E′和E″）在这一形变速率范围内基本不发生变化，与Betzler 和Slater在文献［6］中提到的只有当形变速率高于0.4%/s时，形变速率才会对模量产生明显影响的结论相符合。这是因为当碳纤维取向角度固定，且形变速率较低时，材料有足够的时间通过发生弹性形变来储存外界施加在材料上的能量，能量消耗较少，即保持储能模量E′和耗能模量E″都基本不发生明显变化；而当形变速率高于0.4%/s时，意味着外界施加的能量变大，与低形变速率相比，材料无法通过弹性形变储存更多的能量，多余的能量被材料以内生热或发生永久形变的方式消耗掉，此时，E′变小或不变，而E″变大，损耗因子也随之变大。

图3　形变速率对不同碳纤维取向角薄板的损耗因子的影响Fig.3 Influence of strain ratio on the loss factor of panels with different carbon fiber orientations

2.2弹性形变范围内外力对损耗因子的影响

图4示出了5个薄板样品的静态拉伸曲线，从中可以看出，在0～0.5%的形变范围内，随形变量的增大，拉力基本上呈线性增大趋势，符合胡克定律。根据Jones等［11］研究发现的对于拉力与形变呈线性变化的聚合物，即便在高形变下，其阻尼性能也基本不发生变化的结论，推测5个样品的阻尼性能在这一形变范围内也基本不会发生变化。为了验证这一推论，对上述5个样品在不同形变状态下的损耗因子进行测试，如图5所示。

图4　不同碳纤维取向角薄板的静态拉伸曲线Fig.4 Static stretching curves of panels with different carbon fiber orientations

从图5可以看出当5个样品的形变小于0.5%时，损耗因子确实没有发生明显变化，与上述推论相符。其原因是在这一形变范围内，聚合物内部分子链之间仅发生弹性形变（即可将外力对薄板所做的功储存起来），而没有发生相对滑移，分子链之间无内耗，因此，损耗因子无明显变化；当形变量大于0.5%时，5个样品的损耗因子曲线都向上漂移，这是因为随形变量的增大，外力对薄板做的功超出其弹性形变的储能范围，多余的能量导致其分子链之间发生相对滑移并消耗部分能量，内耗增多，损耗因子变大。

图5　不同形变量对薄板的损耗因子的影响Fig.5 Influence of deformation on loss factor of panels

2.3碳纤维取向角对损耗因子的影响

图6为薄板中碳纤维取向角度对损耗因子的影响示意图，从中可以看出碳纤维取向角度对损耗因子有较大的影响。在保持样品长宽比不变的前提下，1#～7#样品的损耗因子随碳纤维取向角度的增大而依次增大。这是因为纤维增强材料在某一方向上的模量主要由其中的纤维在该方向上的分量提供［12］，当薄板中碳纤维取向角度变大时，材料在竖直方向上的储能模量E′变小，当外力对薄板做同样多的功时，弹性形变储存的能量变少，多余的能量使得聚合物分子链之间的内耗增多，损耗因子随之变大。

图6　薄板中碳纤维取向角对损耗因子的影响Fig.6 Influence of different carbon fiber orientations on loss factor of panels

2.4测试值与理论值的对比

Adams和Bacon在1973年曾提出一个基于复合材料纤维取向来计算损耗因子的理论模型［8］，见公式（1），该模型对纤维呈单向取向的薄板在发生微小振动时的计算结果是十分精确的。

式中：Ψ表示材料的阻尼性能，Ψ=2πη；S11为从材料受力轴线方向上导出的一组柔度矩阵；ΨT和ΨLT分别表示材料在横向和剪切力方向上的阻尼性能；ET和GLT分别表示材料在横向和剪切力方向上的模量。

图7为7个样品采用公式（1）计算出的损耗因子与实际测试结果的拟合曲线对比图，从中可以看出二者无明显差别。表明本实验的测试结果符合理论值，因此在日后的材料设计及制备中可以为相关人员提供数据依据。

图7　损耗因子测试值与理论值对比Fig.7 Comparison of loss factor between theoretical value and test value

3　结 论

通过对7块具有不同碳纤维取向角聚氨酯基复合材料薄板进行静态和动态力学性能测试，考察了薄板的形变速率、形变量及碳纤维取向角对损耗因子的影响。结果发现：

（1）当薄板的形变速率小于0.4%/s时，样品的损耗因子未发生明显变化；当形变速率大于0.4%/s时，样品的损耗因子随形变速率的增大而增大。

（2）当薄板的形变量低于0.5%时，损耗因子无明显变化；而当形变量高于0.5%时，薄板的损耗因子随形变量的增大而增大。

（3）薄板中碳纤维的取向角越大，损耗因子也越大。为验证上述结论，将所有样品的测试数据与理论模型的计算数据进行对比，发现两条拟合曲线十分吻合，表明本实验的测试数据及测试方法可以为用聚氨酯基碳纤维复合材料制备高尔夫球杆的可行性提供数据参考。

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Influence of Carbon Fiber Composite Material on Damping Performance of Golf Clubs

XU Li-gong， JU Ming-jie
（School of Sports Science and Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

A series of composite panels were prepared by laboratory-made two-component polyurethane matrix resin and T700 carbon fiber were used to study the factors affecting the damping performance of golf clubs.The results of static and dynamic mechanical properties demonstrated that their damping performance didn’t change significantly when the deformation quantity was less than 0.5%and the strain rate was less than 0.4%/s.In addition，damping performance was significantly affected by the orientation degree of carbon fibers.The experimental results agree quite well with those calculated by theoretical model，which provides reference for preparation of golf clubs by carbon fiber composite based on polyurethane resin.

damping performance；carbon fiber composite material；dynamic mechanical properties

TB332

A

1006-3080（2016）01-0054-04 DOI：10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.01.009

2015-11-04

徐立功（1971-），男，安徽歙县人，副教授，硕士，研究方向为体育经济、产业、材料。E-mail：xuligong@ecust.edu.cn