碳纤维复合材料体育器材装备工艺优化与性能分析*

程玉柱

（西安理工大学高科学院，陕西西安 713700）

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）是一类碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体进行复合加工形成的增强结构材料的总称[1]。随着现代体育运动的发展，竞技、健身、娱乐体育场景对器材和装备的要求越来越高，以CFRP等材料最主要代表的新型材料将逐渐取代传统体育器械、装备中的金属与木材部件，在充分提高器械性能的同时，充分优化器械、装备的生产工艺。如利用CFRP取代传统的F1赛车车身、车架，从而最大程度进行车身减重、增强车身刚性和强度；利用硬质聚氨酯代替一般溜冰鞋中的滑轮部分，充分提高鞋体耐磨性；利用层压CFRP制作高尔夫球杆、网球拍骨架，降低装备整重的同时有效提升了器械综合力学性能等。

1 CFRP材料综合性能优势

CFRP材料属无机高分子纤维材料，比强度、弹性模量等力学性能通常分别可以达到近1300MPa、160000MPa，且不同改性手段、方式加工而成的CFRP材料能够具备不同的力学性能，用于不同种类运动器材、装备的加工。当前体育器材加工领域应用较多的碳纤维复合材料树脂及其主要物理特性见表1。

表1 体育器材CFRP典型材料及物理特性Table 1 Typical materials and physical properties of sports equipment CFRP

1.1 HTA-P30 碳纤维复合材料

HTA-P30 碳纤维复合材料基体为环氧/胺体系。李敬凯[2]针对不同掺杂情况下体育器材用HTA-P30 碳纤维复合材料弹性模量进行实验分析，认为碳纤维材料普遍具备低密度性、较高的抗拉强度以及理想的弹性模量等；在掺杂Al 和Mg 时，能够显著提升HTA-P30 碳纤维复合材料的弹性模量。HTA-P30 碳纤维复合材料被广泛应用于航空、医疗、体育等领域，经过氧化法、等离子法等进行处理后，HTA-P30有效避免了一般碳纤维材料表面粘结性能差等问题，界面性能更好，可以被广泛应用于自行车、赛车等领域。

1.2 改性碳纤维增强环氧基复合材料

高鹏等[3]以NdFeB、KH550为主要添加物，针对影响碳纤维环氧树脂复合材料的磁通量的核心因素进行分析，认为碳纤维增强环氧基复合材料在KH550含量为2%时能够获得最大磁通量；NdFeB 含量提升能够微弱增强复合材料磁通量，但影响不明显。碳纤维增强环氧基复合材料能够克服一般金属磁性材料在体育器材加工过程中脆而硬、难加工等问题，进一步优化体育器械、装备的成型工艺，对于某些体育器械磁性材料使用有较高的可替换性。

1.3 CNT-PDA碳纤维复合材料

崔营[4]将多巴胺改性的碳纳米材料与碳纤维、环氧树脂材料进行反应，合成了体育器械用CNT-PDA碳纤维复合材料。该类型材料具有明显优于一般金属、非金属材料的表面形貌和耐磨性能。同时，由于材料中添加了质量比为30%的聚四氟乙烯，极大地提升了体育器材的疏水特性，使碳纤维材料的应用范围逐渐触及各类型水上运动如帆船运动中的桅杆等。

2 CFRP体育器材加工工艺优化

2.1 CFRP体育器材典型成型方法

CFRP体育器材的具体加工方法与工艺需要根据不同体育器材、不同产品型号、不同目标人群进行针对性开发。同时，采用不同工艺加工而成的统一规格体育器材也有可能产生不同的综合性能。根据具体的体育器材类型、形状、性能要求等，合理地设计材料制备与成型工艺能够显著提升产品性能与生产效率，极大地降低体育器材、装备加工过程中的生产设备复杂程度[5]。图2所示为几种典型的CFRP体育器械成型方法。

图2 典型CFRP体育器械成型方法Fig.2 Typical molding methods of CFRP sports instruments

缠绕成型技术主要用于高尔夫球杆、棒球杆等“杆”类具有固定规格与特定形状体育器材加工领域。在成型过程中将浸润过树脂材料基体后的碳纤维围绕统一规格或形状的模具进行成型固化，能够保证加工完成的体育器材碳纤维排列方向完全符合体育器材使用过程中的受力状态与方向。缠绕成型方式加工工艺简单、易操作，但仅适合部分规格固定、形状固定的体育器材。

横压成型技术易于实现自动化生产，对于某些生产量大、形状较为规则的体育器材适用性较强，在成型过程中主要依赖模具对升温熔融以后的材料进行施压、冷却、固化成型。横压成型技术生产效率极高，具有较强的可重复性，但复杂模具开模成本较高，可拓展性较差。

RTM成型技术可以对产品形状进行高度定制设计，可以广泛应用于自行车、赛车、帆船等产品形状不规则、标准化程度低的体育器材加工领域。RTM成型技术成型方法，是将CFRP织物在模具中进行预成型，后将熔融状态下的树脂基体材料注入模具进行浇注最终通过常温冷却固化成型，得到复杂形状体育器材部件。RTM成型技术具有较高的体育器材产品可定制性。

拉挤成型技术可以灵活控制碳纤维浸润基体材料的量，从而获得性能差异程度较高的体育器材。拉挤成型过程首先对碳纤维材料施加牵引力，之后将拉伸状态下的碳纤维材料进行树脂基体浸润，随后经过挤压和加热固化工艺得到最终的体育器械。通常拉挤工艺更适用于加工具有简单规格与形状的体育器械，如弓箭中的箭体、撑杆等。

2.2 CFRP体育器材成型工艺优化方法

2.2.1 热压罐工艺

热压罐成型工艺当前多用于航空航天复合材料成型加工领域，使用占比超过80%。利用热压罐工艺进行CFRP体育器材加工时，需要将预浸料按体育器材具体工艺铺层要求放于模具上，利用真空袋将毛坯进行密封处理后放置于碳纤维热压罐中。保持热压罐内部处于真空状态，经设备升温→加压→保温→降温→卸压等工序实现固化，从而获得某些表面与内部质量要求高、形状复杂的体育器械碳纤维复合材料制件[6]。与传统工艺相比，热压罐成型工艺能够向预浸料提供足够的压力，保证对材料内部孔隙的充分抑制。热压罐成型工艺在体育器材领域中的应用将会集中在F1赛车、汽车拉力赛等造价充裕体育运动项目的复杂部件、主次承力结构部件生产中。

2.2.2 真空袋压工艺

由于热压罐成型工艺成本较高，对于某些冷门项目或资金筹备较为困难的体育项目而言并不适用。因此科研人员研发出一种基于热压罐工艺的新型碳纤维成型技术——真空袋压工艺。该工艺与热压罐最大的差异在于以固化炉代替了热压罐完成后期的固化工艺。固化炉造价远低于热压罐，但无法形成高于一个大气压的内压，因此想要获得足够高标准的产品孔隙率，需要对树脂和预浸料进行工艺改良。刘佳[7]认为，半浸润的预浸料能够有效地提高气体渗透性，将干纤维作为排出材料内部气体的通道，在实现体育器材部件固化时充分排出卷入气体。

2.2.3 预浸料吹气模压

为解决一般模压成型无法加工中空部件的缺陷，台湾省知名球拍企业率先发明并使用了预浸料吹气模压技术用于加工某些高端碳纤维羽毛球拍等。该工艺最初将预先填充的发泡剂放入模具中进行加压，在热水发泡后发泡剂产生一定的压力将预浸料撑开最终定型[8]。然而由于该工艺加工而成的球拍在使用时存在噪音、重量无法控制等问题，在原有工艺基础上开发了吹气模压工艺，并逐渐广泛应用于各类型球拍、球棒、自行车零部件的加工领域。

2.2.4 卷管工艺

卷管工艺又名搓管工艺，是采用卷管机上的热辊，使预浸料软化热卷成型的一种复合材料制品成型方法。卷管工艺多被用于生产方管、圆管、三角管等管类体育器材如钓杆、车架等。卷管机上的热辊能够软化碳纤维预浸料，在一定的张力作用下，随着热辊转动将预浸料连续卷到管芯上直至达到体育器材生产工艺的要求，然后通过冷辊冷却定型取出，最后在缠绕热收缩膜基础上烤箱固化处理，去掉热收缩膜和模具即得到体育器材待使用管材部件。

3 CFRP体育器材性能及其对体育运动的影响

3.1 撑杆跳

撑杆跳运动是最早纳入奥林匹克运动会的正式比赛项目之一。最早的撑杆跳用杆以胡桃木材质为主，该类型材料韧性高、结实，但不具备较高的储能性和弹性，运动员在进行竞技时会浪费掉大量的动能，进而影响了撑杆跳运动员竞技水平的提升，彼时撑杆跳最高成绩为3.30米。1905年开始撑杆跳项目用杆改以竹类材料为主，以竹子加工而成的撑杆质量轻、中空，具有较好的韧性和弹性，能够显著提升运动员竞技水平，最高成绩达到4.77米，但竹子容易老化，老化后的撑杆韧性下降明显，竞技过程中易发生折断现象影响运动员竞技与人身安全。1948年美国设计制造出重量更轻、弹性更强的玻璃纤维竿，撑杆加工所使用的材质逐渐由竹竿过渡为聚酰胺再至玻璃纤维，撑杆跳运动世界记录已突破了6米的高度。进入21世纪后撑杆跳运动已普遍开始使用碳纤维增强树脂复合材料进行加工，最高成绩已经达到了6.16米[9]。碳纤维增强复合材料具有更加优异的力学性能，能够根据运动员不同的发力习惯进行不同的材质与成型工艺选择，从而最大化提升撑杆性能。以碳纤维增强复合材料加工而成的撑杆耐用、轻盈、柔韧性异常优异，基本杜绝了以往竹竿、玻璃纤维杆等扭结或断裂现象。同时碳纤维增强复合材料弹性形变能力优异，在被压弯至最大弧度后能够迅速将弹性势能转变为动能，帮助运动员腾空飞跃取得理想成绩。

3.2 各类型球拍

羽毛球、网球运动所使用的球拍属于非常常见的运动器材。20世纪70年代，日本某球拍加工厂家首次使用了CFRP用以替代传统的木质、铝合金材质球拍。随着羽毛球、网球运动的普及和发展，CFRP球拍已经全面取代了职业竞技运动中的金属材质球拍，并逐渐占领了业余羽毛球、网球运动高端器材加工领域。CFRP材料主要用于加工球拍拍杆、拍框部位，实现了羽毛球拍的总体轻量化，球拍总重已低于100g[10]。CFRP球拍具有极强的可塑性、延展性、减振性能，同等规格的碳纤维网球拍能够获得比木质球拍高出50%的球拍面积，最大程度上提升网球运动中“甜蜜点”。同时，碳纤维材料本身质量较轻，比模量、比强度又远高于一般木质或金属材质，因而能够在大型球拍加工过程中实现球拍轻量化的同时提升球拍整体强度，避免球拍出现变形。近年来已有部分厂家在加入了纳米二氧化硅粒子的环氧树脂中对碳纤维或碳纤维布进行预浸渍处理，得到了结构更加均匀的单向碳纤维增强片材，利用该类型片材加工而成的网球拍框实现了一体化设计，获得了更高的拍框强度和耐用性能。

3.3 滑雪板

冰雪运动是一项在我国流行时间尚短但群众喜爱程度较高的运动，其中滑雪板是冰雪运动应用最为广泛的体育器材。滑雪板所使用的材质优劣、性能会影响人们的滑雪效果和人身安全。最初的滑雪板脱胎于雪橇，主要由木质材料加工而成，但木质材料在长期低温、湿润的环境下极容易被毁坏、发生形变；而后金属材料逐渐取代了一部分木质材料用于加工各类型滑雪板，但金属材料适应性差，长期滑雪运动会导致金属材料腐蚀、磨损进而影响使用。CFRP的出现很好地解决了传统金属、木质材料重量大、可控性差、减振性能差等问题，使用CFRP加工而成的滑雪板韧性强、质量轻、弹性好，能够为使用人员提供较好的保护功能。随着综合材料使用频率的提升，如今滑雪板结构开始以碳纤维复合材料板材为基础，辅以高强铝合金、塑料以及PUR泡沫等材料加工而成。据相关研究成果表明，该类型滑雪板具有出色的扭曲和弯曲平衡性，人们使用过程中的滑行性与回转性之间也达到了很高的匹配度。

4 结语

碳纤维复合材料（CFRP）因其质量轻、强度高、耐热性好以及优秀的抗腐蚀与辐射性能，在航空航天、医学、电磁领域的应用已较为广泛。文章基于不同碳纤维复合材料性能优势，对其在体育器材装备加工领域中的应用工艺与性能优势进行分析，以撑杆跳、羽网球拍、滑雪板等为例，对CFRP体育器材的性能优势以及对该类体育项目的影响进行了总结。