铝基复合材料热处理工艺对羽毛球拍杆性能的影响研究

田永周

摘 要：文章对铝合金基体材料热处理工艺羽毛球拍杆综合性能进行研究;探究铝合金基体复合材料热处理中试验材料及四种不同热处理机制实验要求;根据实验结果分别对羽毛球拍杆弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性进行分析研究。结果表明：羽毛球拍杆铝合金基体材料热处理时，应选用双极溶剂以及双极时效对应热处理工艺参数进行加工，其能有效提升羽毛球拍杆弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性。

关键词：铝合金基体材料;羽毛球拍杆;热处理加工;综合性能;实验研究

中图分类号：TB333; TG156 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0061-04

Study on the Influence of Heat Treatment Technology of Aluminum Matrix Composite on the Performance of Badminton Racket Stick

Tian Yongzhou

（Xi an Traffic Engineering Institute，Xi an 710300， China）

Abstract：This paper studies the comprehensive performance of the badminton racket stick in heat treatment process of aluminum alloy matrix materials. To explore the experimental materials and the experimental requirements of four different heat treatment mechanisms in heat treatment of aluminum alloy matrix composites; According to the experimental results， the bending strength， damping property and wear resistance of badminton racket stick were analyzed and studied. The results show that when the aluminum alloy base material of the badminton racket shaft is heat treated， the bipolar solvent and the bipolar aging corresponding heat treatment process parameters should be used for processing， which can effectively improve the bending strength， damping property and wear resistance of badminton racket stick.

Key words：aluminum alloy matrix composites; badminton racket stick; heat treatment processing; comprehensive performance; experimental study.

0 引言

在逐渐流行的羽毛球运动中，羽毛球拍杆性能引起众多关注。羽毛球拍杆自身综合性能包括弯曲强度、抗磨损性以及阻尼性。增加羽毛球拍杆弯曲强度，羽毛球拍杆所受干扰度会随之下降，继而会使羽毛球拍杆更加坚硬;反之，随着羽毛球拍杆弯曲强度降低，羽毛球拍杆扰动度增加，使得羽毛球拍杆较为柔软。羽毛球拍杆阻尼性能得到改善，会使其能够具备良好减震性能;反之，羽毛球拍桿减震性能会随之下降。钛合金、铝合金基体复合材料、高弹性纤维碳素是制作羽毛球拍杆的主要原材料。铝合金基体复合材料因其具备铝合金基体、增强相特殊性能以及成本空间，使其能在羽毛球拍生产制作中广泛运用。

目前，关于热处理加工技艺对羽毛球拍杆铝合金基体复合材料性能影响相关报道较少。因此，文章选用四种不同热处理加工技艺对羽毛球拍杆铝合金基体复合材料进行高温加热处理;探究热处理工艺对羽毛球拍杆铝合金基体复合材料的弯曲强度、阻尼性能以及抗磨性的影响，旨在完善升级羽毛球拍杆铝合金基体复合材料的热处理加工技艺，提升羽毛球拍杆综合性能。

1 铝基复合材料热处理试验用料及测试方法

1.1 试验用料及热加工处理技艺

首先，选取N2作为雾化气体，通过喷射成形法准备铝合金基体复合材料趁沉积板;其次，在1200吨挤压机上对沉积板进行热挤压，同时将挤压温度设置为450℃，挤压比例为10∶1，经过热挤压处理过后的棒材直径为1cm[1]。热挤压处理过后的羽毛球拍杆铝合金基体复合材料组成样品如表1所示。热挤压羽毛球拍杆铝合金基体复合材料样品热加工技艺如表2所示。

1.2 铝基复合材料热处理试验方法

弯曲强度试验：依据固定计算公式能够得出羽毛球拍杆铝合金基体复合材料样品的弯曲强度，计算公式见式（1）。

在式（1）中：EI表示为抗弯曲刚度;n表示为测试系统质量;f 表示为测试系统固有频率;q表示为测试系统跨度;π为常数[2]。阻尼性能是实验：利用“葛式扭摆”法对羽毛球拍杆铝合金基体复合材料中阻尼性能展开实验，在实验操作中将加热炉温度上升速度调至2.0℃/min、实验温度设置为30～350℃、实验测试频率在0.3～1.0Hz，对试样进行测量的时间均小于35s。

检验磨损性能实验：在高速高温摩擦磨损试验机上完成对羽毛球拍杆铝合金基体复合材料样品中的抗磨损性实验。在实验过程中，将磨损机的转动速度调至为300r/min、摩擦时间设定为15min、相对滑动速度为10cm/min、测试温度调至为正常室内温度。

2 铝基复合材料热处理试验结果及羽毛球拍杆

性能研究

2.1 羽毛球拍杆弯曲强度

羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料样品的弯曲刚度依据公式（1）可计算获得。羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料样品在不同热加工处理系统下的弯曲强度试验结果如图1所示。

由图1可知，在4种各不相同的热加工处理系统下，样品的弯曲强度呈现不同状态[3-4]。当样品1经过单级溶液与单级时效相对应的热加工处理参数进行测试时，其弯曲强度最差;当样品4经过双级溶液与双级时效相对应的热加工处理参数进行测试时，其弯曲强度呈现最佳状态;两个样品在不同热加工处理参数测试相比之下，后者比前者的弯曲强度增加740GPa·mm4，同比增长13%。基于上述实验结果能够得出：双极溶液与双极时效同时对羽毛球拍杆进行热加工处理，会明显增强其弯曲强度。由此说明：将羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料放在双极溶液与双极时效对应参数环境中进行热加工处理，最终达到羽毛球拍杆具备高抗弯强度的最终目的。

2.2 羽毛球拍杆阻尼性能

羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料在200℃、1.0Hz测试环境中进行样品阻尼性能测试，测试结果如图2所示。

由图2可知，4种样品在4种不同热加工处理机制下其呈现的阻尼性能截然不同[5]。当样品1经过单级溶液与单级时效相对应的热加工处理参数进行测试时，其呈现的阻尼性能值最小;当样品4经过双级溶液与双级时效相对应的热加工处理参数进行测试时，其所呈现的阻尼性能值最大。两个样品在不同热加工处理参数测试相比之下，后者在经过热加工处理后其阻尼系数增加了7×10-3，同比增大60%。样品的阻尼性能呈现较好状态其所对应的阻尼系数会越大，进而使降噪减震效果达到最佳[6]。由上述实验得出：双极溶液与双极时效同时对羽毛球拍杆进行热加工处理，会明显增强其阻尼性能。由此说明：将羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料放在双极溶液与双极时效对应参数环境中进行热加工处理，最终达到羽毛球拍杆具备高阻尼性能的最终目的。

2.3 羽毛球拍杆抗磨损性

羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料样品在不同热加工处理系统下的抗磨损性试验结果如图3所示。

由图3可知，4种样品在4种不同热加工处理机制下其呈现的抗磨性截然不同。当样品1经过单级溶液与单级时效相对应的热加工处理参数进行测试时，其磨损体积较大，呈现抗磨损性能较差;当样品4经过双级溶液与双级时效相对应的热加工处理参数进行测试时，其磨损体积较小，呈现抗磨损性能较好。两个样品在不同热加工处理参数测试相比之下，后者在经过热加工处理后其磨损体体积减少了27×10-3，同比缩小54%[7]。由上述实验得出：双极溶液与双极时效同时对羽毛球拍杆进行热加工处理，会明显增加其抗磨损性能。在实验测试过程中，选用样品被磨损体积越大，其抗磨损性能则相对较差;反之，选用样品被磨损体积越小，其抗磨损性能则相对较好。由此说明：将羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料放在双极溶液与双极时效对应参数环境中进行热加工处理，最终达到提升羽毛球拍杆抗磨损性能的最终目的。

2.4 试验讨论与综合性能分析

固溶体是指将物料通过高温加热处理后放入高温相区在一定时间内完成恒温加工，使物料内部的过量相完全溶解于固溶体中，然后迅速冷却，最终获得过饱和固溶体;时效是指将材料放在固定温度环境中进行恒温加工，从而使过度饱和溶液与第二相重新沉淀释放。当材料为两阶段固溶体时，第一阶段在变形能量储存推动下，进行低温固溶处理，其主要目的是恢复与二次结晶的过程。恢复与二次结晶存在相互争夺的竞争关系。二次结晶一旦产生，将不会出现恢复过程;恢复程度与二次结晶难度存在紧密关系[8]。在第一阶段低温固溶加工过程中，第一个发生溶解现象的是低熔点的共晶结构，同时将会使余留相的共晶温度升高;在进行第二阶段的高温固溶加工过程中，能够有效避免单级固溶产生的高温问题，从而加快粗共晶相在材料中的溶解速度、更不会发生过度燃烧现象，一定程度上提升样品固溶率。

所以，单级溶液热加工参数与双极溶液热加工参数相比，双极溶液热加工能够有效优化羽毛球拍杠铝合金基体复合材料的内部构造，更易提升羽毛球拍杆的弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性能。羽毛球拍杆铝合金基体材料在进行时效加工处理时，第一及时效与单级时效相比，前者更能够在材料基体中进行充分饱作用，能够在第二时效中能够形成大量材料形状核心，使材料沉淀后尺寸变小、分散度更高，使得铝合金基体复合材料经过双效时效加工处理后其弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性明显上升[9-10]。经过反复试验测试证明：羽毛球拍杆铝合金基体材料热处理时，应选用双极溶剂以及双极时效对应热处理工艺参数进行加工，其能有效提升羽毛球拍杆弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性。

3 结语

（1）单级溶液热加工参数与双极溶液热加工参数相比，羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料放在后者加工參数环境中，更易提升羽毛球拍杆的弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性能。

（2）单级时效热加工参数与双极时效热加工参数相比，羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料放在后者加工参数环境中，更易提升羽毛球拍杆的弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性能。

（3）为有效提升羽毛球拍杆的弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性能，在选择对羽毛球拍杆的铝合金基体复合材料进行热加工处理中优先选择双极溶液与双极时效所对对应的热加工处理参数环境。其能够有效提升羽毛球拍杆的弯曲强度、阻尼性能以及抗磨损性能。

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