基于HTA-P30碳纤维高新化工材料在体育器材中的应用与研究

李敬凯

（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）

现代的竞技体育是一项高标准、高科技的运动，为了能够更好地发挥人们的实际水平、挑战人类的极限，运动设备和体育器材的选择有着很大的影响[1]。目前应用在体育器材中最广泛的材料是碳纤维复合材料[2-4]。由于其具有较高的韧性、强度高、耐腐蚀等特点，使得其能够大量地应用于高尔夫球杆、网球拍等体育设备中。

碳纤维材料是一种复合的材料。其原丝为沥青、粘胶纤维和聚丙烯腈，经氧化和碳化作用最终形成的特种纤维[5-6]。碳纤维材料的主要特点是密度低、抗拉强度大、耐化学腐蚀和导热率低[7]。可以按照不同的形态、力学性能和原丝的类型进行划分[8]。本文以HTA-P30碳纤维高新化工材料作为研究对象，从其微观形貌和聚合物产物的结构上分析其性能。

1 不同掺杂情况下碳纤维的弹性模量分析

对于碳纤维材料的性能来说，其弹性模量的大小很大程度上影响其使用功能。在应力作用下，理想的弹性材料受力会发生变形，其应力和应变满足胡可定律公式[9]，即：

式（1）中：E、σ 、ε 分别为材料的弹性模量、应力和应变。

其中，应力和应变对应的模量参数为：

式（2）中：F、A0、lΔ 分别为材料所受的外力、受力面积和受力的长度变化；0l为材料的原始长度。

式（3）中：G为材料的剪切模量；τ和γ分别为材料的切应力和切应变，θ为偏斜角。

式（4）中：B为材料的体积模量；V0和VΔ分别为材料的原始体积和体积变化量;P为材料所受到的均布应力。

表1所示为掺杂不同的元素对碳纤维的弹性模量的影响。

表1 碳纤维弹性模量分析( GPa)Table1 Carbon fiber elastic modulus analysis

从表1中可以看出：当碳纤维中掺杂Al和Mg时，其弹性模量显著增加。当材料的弹性模量越大时，其在受力的过程中越难变形。对于常见的体育器材来说，较好的刚度正好是其使用需要，故碳纤维应用于体育器材时常添加一些其他的元素来增加其弹性模量。

2 HTA-P30碳纤维高新化工材料性能

碳纤维材料具有高比强度、耐疲劳、弹性模量高等优点，使得其成为广泛使用的增强材料。其中HTA-P30碳纤维材料已普遍应用于航天和体育运动等领域。普通的碳纤维材料在使用过程中由于其表明粘结性能差，不能与其他材料进行良好的结合，故一般都需要进行改进处理。为了能够更好地发挥碳纤维材料的特性，普遍采用的方法有氧化法[10]、电聚合法[11]、等离子法[12]和电沉积法[13]等。经过这些方法的处理后，碳纤维表面的界面性能更好，并且最大程度上保持了碳纤维材料的原始性能。

2.1 HTA-P30碳纤维材料的微观形貌

使用发射扫描电镜对普通的碳纤维进行观测，考察其表面的微观形貌特征。如图1所示为普通碳纤维的SEM照片。

图1 普通碳纤维的SEM照片Fig.1 SEM photo of ordinary carbon fiber

从图1中可以看出：普通碳纤维的表面较光滑，只有轴向的部分有部分小的沟槽。此沟槽是碳纤维在生产过程中摩擦作用和表面的胶水造成的。由于普通碳纤维表面过于光滑，与其他材料的粘结性能较差，不能表现很好的物理性能，故需要对普通的碳纤维材料进行加工处理。

图2所示为HTA-P30碳纤维分别放大1000、3000倍的SEM照片，经过改良的HTA-P30碳纤维表面出现了明显较深的沟槽，增加了其表明的粗糙度。

图2 HTA-P30碳纤维的SEM照片Fig.2 SEM photo of HTA-P30 carbon fiber

研究选取的HTA-P30碳纤维材料基体为环氧/胺体系，其材料性能见表2。

表2 HTA-P30碳纤维材料性能Table 2 The properties of HTA-P30 carbon fiber material

2.2 HTA-P30碳纤维电聚合产物的结构分析

图3为普通碳纤维和HTA-P30碳纤维的红外光谱。从图3中可以看出， 3440cm-1是普通碳纤维表面-OH振动吸收峰值。而HTA-P30碳纤维表面的水分已被处理,-OH吸收峰值不再明显。经过改进后的HTA-P30碳纤维材料在2920cm-1、2850cm-1吸收的峰值明显下降

图3 碳纤维的红外光谱：（a）普通碳纤维；（b）HTA-P30碳纤维Fig.3 Infrared spectrum of carbon fiber： (a) ordinary carbon fiber; (b) HTA-P30 carbon fiber

3 HTA-P30碳纤维在体育器材中的应用

3.1 在球类运动中的应用

碳纤维材料在球类运动中的应用非常广泛。我们平常用到的羽毛球拍、网球拍和高尔夫球杆等都应用到了碳纤维材料[14]。同时，现代体育竞争对于体育器材的安全性能要求越来越高，在很多高标准的足球比赛和篮球比赛中，其球架和架框包括球门很多都利用了碳纤维材料。碳纤维由于其良好的弹性模量，使得其应用在球拍时能够达到很高的减震效果同时还很轻便和舒适。不仅能够在一定程度上提高运动员的竞技水平，还能有效地激发人类的运动天赋。

原始的足球和篮球球架都是用的比较硬的材料，对于球类比赛来说缺乏一定的弹性性能，同时还增加了运动员受伤的风险。应用碳纤维材料不仅在强度上能够保证，而且能够确保运动员在冲击状态下的安全性能，让人们更加放心地比赛。

3.2 在自行车生产中的应用

国际上的自行车赛车上有很多车辆都应用了碳纤维材料。其主要应用与车身的车架、车轮部位，这些部位应用碳纤维材料在很大程度上能够降低车身的自重，增加运动员的舒适性，还能减少骑行过程中的阻力。同时，碳纤维应用于自行车还能让人们能够直接的接触新型的碳纤维材料，为大众了解碳纤维材料提供了一个很重要的通道。

3.3 在赛车中的应用

碳纤维材料应用于赛车上与自行车有着异曲同工的效果，与之不同的是碳纤维材料应用于赛车时需要结合一定的合金材料，从而能够确保赛车有着可靠的强度[15]。另一方面，碳纤维与合金材料结合能够在车辆发生碰撞时吸收大量的撞击力，增加赛车的安全性能。现阶段的赛车由于其独特的比赛特性，还没有能够发现一种碳纤维复合材料来代替其他合金材料的应用。

4 结论

现阶段的体育器材中应用复合材料越来越普遍，而碳纤维材料由于其优良的特性应用于体育器材非常广泛。本文通过对碳纤维的弹性模量进行分析，表明了碳纤维材料的弹性模量能够很好地适用于体育器材的要求。同时，HTA-P30碳纤维材料相对于普通碳纤维材料，其表面粗糙，有很明显的沟槽，能够很好的与其他材料进行结合发挥更好的性能。同时经过改进的HTA-P30碳纤维高新化工材料的化学性质更稳定，能够保持复合材料的整体稳定性能。随着体育器材的要求越来越严格，碳纤维材料也需要不断的改进才能更好地适应整个社会的需求。