基于热处理工艺的羽毛球拍杆用铝基复合材料性能研究

张 强

(西安思源学院， 陕西 西安 710038)

随着体育用品行业的不断发展，消费市场对于高质量体育器材的需求日益扩大。羽毛球拍作为羽毛球运动的基础性器材，其拍杆的质量直接决定了羽毛球拍的质量和使用寿命。本文以铝基复合材料制成的羽毛球拍杆作为研究样本，具体分析不同热处理工艺下羽毛球拍杆的物理性能[1-3]。并且在完成实验后还需要通过显微镜来观察铝基复合材料在经过热处理后的表面情况。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验材料

本次研究采用喷射成型法，将氮气作为雾化气体制备铝基复合材料的沉积坯，再以1500T挤压机对其实施热挤压处理，挤压系数为12，环境温度为420 ℃，最终获得直径10 mm，长度为680 mm的长方形铝基复合材料，该材料的具体成分为：铝80.18%、碳化硼8.03%、钛0.22%、铜2.51%、镁2.54%、锌6.52%。

1.2 热处理工艺

针对铝基复合材料所实施的热处理工艺分别有A、B、C、D四种，各工艺的热处理制度分别如下：

工艺A：455 ℃×2 h单级固溶+130 ℃×24 h单级时效；

工艺B：440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h双级固溶+130 ℃×24 h单级时效；

工艺C：455 ℃×2 h单级固溶+120 ℃×8 h+160 ℃×16 h双级时效；

工艺D：440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h双级固溶+120 ℃×8 h+160 ℃×16 h双级时效；

1.3 实验方法

本次研究利用中路通仪器生产的STT-930M型耐磨损性能测定仪对铝基复合材料的耐磨损性能进行测试，直接获取不同热处理制度下铝基复合材料的磨损体积；利用Naturethink公司生产的HKJ-5001型阻尼测试分析仪对铝基复合材料的阻尼性能进行测试，直接获取不同热处理制度下铝基复合材料的阻尼系数[4-6]；通过以下公式计算铝基复合材料的抗弯刚度：

(1)

式中：EI为抗弯刚度；m为实验系统质量；l为实验系统跨度；f为实验系统的固有频率；π为常数[7-9]。

2 实验结果

2.1 耐磨损性能测试结果

本次研究中铝基复合材料的耐磨损性能测试结果如图1所示。铝基复合材料的耐磨损性与磨损体积成反比[10]，四种不同热处理工艺下的铝基复合材料体现出了不同的耐磨损性。工艺A处理下的铝基复合材料磨损体积最大，即耐磨性最差；工艺D处理下的铝基复合材料耐磨性最好。工艺D处理下的铝基复合材料的耐磨损性能接近工艺A的2倍。另外，双级固溶对于铝基复合材料耐磨损性的提升显著高于双级时效。

图1 耐磨性能试验结果

2.2 阻尼性能测试结果

本次研究中铝基复合材料的阻尼性能测试结果如图2所示，测试条件设置为 0.8 Hz、 150 ℃[11-12]。经实验研究发现，工艺A热处理下铝基复合材料的阻尼系数最小，工艺D热处理下铝基复合材料的阻尼系数最大，比工艺A提升58%。双级固溶结合双级时效的热处理方法能够使铝基复合材料阻尼系数得到明显提升。另外，双级固溶相比于双级时效更加有利于提升铝基复合材料的阻尼性能[13]。

图2 阻尼性能测试结果

2.3 抗弯刚度测试结果

本次研究中铝基复合材料的抗弯刚度测试结果如图3所示。经实验研究发现，工艺D下的双级固溶+双级时效的热处理方法在提升铝基复合材料的抗弯刚度方面也有着十分显著的作用，并且双级固溶的热处理效果更加突出。

图3 抗弯刚度测试结果

2.4 铝基复合材料表面SEM形貌分析

本次研究以SEM照片的方式对利用4种工艺进行热处理的铝基复合材料表面加以展示，其表面形貌如图4所示。经实验研究发现，经过工艺A热处理后的铝基复合材料表面存在较深磨痕和大量的凹坑，代表该热处理方式会对铝基复合材料造成较为严重的磨损；通过工艺B进行热处理的铝基复合材料，其凹坑和磨痕状况得到了一定的改善，磨损问题得到显著缓解；而通过工艺C进行热处理后的铝基复合材料，其磨痕问题相比于工艺B出现了一定的改善，但凹坑现状却比工艺B更加严重；通过工艺D进行热处理的铝基复合材料表面仅存在细小磨痕，既无明显凹坑也无较深磨痕，工艺D对于铝基复合材料的磨损最为轻微，所得到的观察结果与以上实验结果相一致。

图4 铝基复合材料表面SEM形貌

3 结 论

本文对热处理工艺对羽毛球拍杆用铝基复合材料性能的影响进行了研究，根据耐磨损性能、阻尼性能、抗弯刚度三项指标得到了铝基复合材料热处理的最佳方案，并通过SEM形貌观察验证了实验结果。本文的研究结论如下：

(1)相比于455 ℃×2h单级固溶来说，440 ℃×1.5h+480 ℃×0.5h双级固溶可以显著提升铝基复合材料的耐磨损性能、阻尼系数与抗弯刚度，显著强化三项主要的力学性能指标。

(2)相比于130 ℃×24h单级时效的热处理工艺来说，120 ℃×8h+160 ℃×16h双级时效能够显著强化铝基复合材料的耐磨损性能、阻尼系数与抗弯刚度。

(3)440 ℃×1.5h+480 ℃×0.5h双级固溶+120 ℃×8h+160 ℃×16h双级时效的热处理方案，能够使铝基复合材料的磨损体积减少约50%，增加抗弯强度约10%，提升阻尼系数约60%。