体育器材中石墨烯镁基复合纤维的应用研究

张科

摘 要：随着竞技体育的发展以及人们日益重视体育锻炼，无论是竞技体育的赛事还是大众体育的健身，对体育运动器材各方面性能的要求都越来越高。为解决目前体育运动器材的力学性能不足、耐磨耐腐蚀性不高等问题，尝试引入石墨烯作为增强体，利用其抗拉伸强度高、耐磨损性能好、耐腐蚀性高的优异特性对体育器材进行了改良试验，并与市面大量商用的AZ31镁合金材料进行对比。实验结果表明，石墨烯镁基复合材料制备的体育器材试样在力学性能、耐磨性能与耐腐蚀性能方面均有大幅提高，可以作为制作体育器材的更优质材料。

关键词：体育器材;石墨烯镁基;AZ31镁合金;纤维增强复合材料

中图分类号：TS952 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）11-0067-03

Research on the Application of Graphene Magnesium Matrix Composite Fiber in Sports Equipment

Zhang Ke

（Xi an Peihua University， Xi an 710125， China）

Abstract：With the development of competitive sports and peoples increasing attention to physical exercise， whether the competitive sports events or mass sports health， the performance of all aspects of sports equipment requirements are more and higher. In order to solve the current mechanical performance of sports equipment is insufficient， low abrasion and corrosion resistance， try to introduce graphene as an enhancer， using its high tensile resistance， good wear resistance and high corrosion resistances to modify sports equipment and compared with the most commercially available AZ31 magnesium alloy materials. The experimental results show that the sports equipment samples prepared by graphene magnesium-based composites are greatly improved in mechanical performance， wear resistance and corrosion resistance， which can be used as better quality materials to make sports equipment.

Key words：sports equipment; graphene magnesium-based; AZ31 magnesium alloy; fiber-reinforced composite

0 引言

體育器材是体育活动中必不可少的基础设备，对于竞技体育来说，器材的质量甚至会影响比赛的结果，提高体育成绩，甚至在关键时刻能保护运动员避免受伤。对于大众体育来说，器材的质量也直接关系到体育运动的效果。如何寻求应用功能与健康度、舒适度的平衡是体育器材生产设计中的难点。目前行业内比较青睐的是镁合金材料，它密度轻、强度高、减震降噪效果较好，但是镁合金力学性能不高，难以批量化商业生产，需要通过添加增强体进行改良。本研究选用石墨烯材作为增强体，进行石墨烯镁基复合材料制备与测试，以期为新型体育器材的材料探索提供参考。

1 总体概述

1.1 体育器材生产设计要求

体育器材不仅仅是体育运动的载体，也是人们进行体育活动的基础辅助工具。人们越来越注重身体健康，有意识的增强体育锻炼，但是体育器材发展过程中还存在资源欠缺、器材更新迭代速度慢等问题。因此，为了提升人们参与的积极性以及最终运动效果，还需注重体育器材的深层次设计，做到：①结合复合材料的发展情况寻求应用思路，尽可能的改善复合材料性能，以此提高器材的健康度、舒适度以及应用性[1]。②结合铸造生产工艺的优化，提升体育器材的精确度。③结合时代特点，不管是技术还是理念都需要有创新，在保证基础需求的前提下进行优化。

1.2 常见纤维增强复合材料

目前常见的纤维增强复合材料各自具有优缺点，大类主要包括：①玻璃纤维：吸湿性小、阻燃性好、耐热、耐老化、尺寸稳定;②碳纤维：强度好、刚度高、耐热，但与树脂粘接性差;③硼纤维：高强高模量纤维，对增强树脂和金属的粘接性有很好效果;④碳化硅纤维：模量高、耐热、拉伸强度大、抗压、耐磨;⑤芳香族聚酰胺纤维：密度低、耐热、粘接性好、比模量高;⑥聚乙烯纤维：密度低、强度好、化学稳定性高、粘接性差;⑦混杂纤维：多种纤维复合材料混杂，具备多种新增性能;⑧石墨烯纤维：石墨烯是由碳原子组成的二维晶体，它轻、坚固、坚韧，是纳米材料中最薄、强度最大、导电导热性最好的新型材料。石墨烯纤维具有非常高的拉伸强度、耐磨损性、耐腐蚀性。

1.3 体育器材中引入石墨烯镁基复合材料的优势

与市面上其他材料相比，使用石墨烯镁基纤维增强复合材料的体育器材具有6点优势：①整体质量轻：体育运动是一种力学运动，运动器材的轻便可以提升运动效果[2];②单位质量强度高：单位质量强度可以达到钢材的7～12倍，适合制作杠铃等高强度的体育器材;③抗疲劳强度大：结构稳定，可以延长体育器材使用寿命;④破损安全性好：受到拉力时应变具有各向异性，局部断裂不会引起连锁反应;⑤耐磨损性能高：基体具有粘弹性，在受到震动时可以起到缓冲作用，具有良好的阻尼比，可以保证运动效果。;⑥成型自由度大：各向异性决定了形态相对自由，成型自由度增大。

2 石墨烯镁基纤维在体育器材中的应用

目前石墨烯镁基纤维在体育器材中的应用如表1所示。本文针对其中的“高尔夫”球杆、网球拍、羽毛球拍、自行车框架进行着重分析。

2.1 “高尔夫”球杆

随着人们生活水平提高，“高尔夫”不再仅仅是贵族运动，逐渐在人们日常生活中流行起来。在运功过程中，球杆质量、硬度以及平衡是影响手感和距离的关键因素。球杆由手柄、杆头以及杆3部分组成，最初的是钢杆，后续出现了碳纤维杆，碳纤维球杆可以使质量缩减10%-40%。球杆质量减轻有利于提高挥杆速度，而且由于碳纤维复合材料的阻尼性高，可以延长击球时间，从而将球打到更远的距离。因此，对于球手来说，球杆的质量是否轻便是非常重要的[3]。而利用石墨烯-碳纤维复合材料可以在相同质量的基础上一方面提高球杆强度，延长使用时间;另一方面提高阻尼性，提高击球质量。制作石墨烯纤维的“高尔夫”球杆时主要步骤为：①浓硫酸、硝酸处理石墨烯;②硅烷偶联剂改性碳纤维;③加入石墨碳纤维上浆的树脂基体;④利用预浸料卷绕工艺制成球杆。

2.2 球拍

网球拍的发展经历了木制、金属、后金属三个时代，在材质、性能、外形及颜色方面都在不断变化。主要由手柄、框架以及弦线构成，大体可以分为木球拍、金属球拍、碳纤维球拍、石墨球拍等。在运动过程中，球拍就像士兵的武器一样重要，虽然不能从本质上彻底改变运动员，但对于改善境况、抢夺主动权、占据有利形势方面有很大作用，甚至对比赛结果会造成直接影响。网球拍的发展趋势是硬度高、质量轻，因此设计过程中也是着重关注力量、可控性以及舒适程度。与普通碳纤维相比，石墨烯碳纤维在同等质量时具有更高的强度与弹性模量，提升球拍刚度的同时也可提升球拍的强度，其更适合制造网球拍。

羽毛球拍网厚度对击球性能、耐久性以及平衡性有着重要影响。一般情况下，小于0.7 mm的细弦手感和性能更好，大于0.7 mm的耐久性和使用寿命更长。网线性能主要包括力量、耐磨性、吸震性、击球感以及可控制性，这些通常很难全面做到最好，因此需要寻求满足客户习惯的平衡。使用石墨烯纤维复合材料可以在同等质量前提下提高网线的穿线磅数，质量分数为0.1%时尼龙纤维的拉伸强度即可提高一倍。综合成本、质量、磅数等要求，石墨烯纤维可以综合提高羽毛球拍的网线性能[4]。

2.3 自行车

自行车不仅是交通工具，更是人们健身锻炼的辅助工具。随着国内外公司对碳纤维山地车的研究创新，推出了各类碳纤维框架，这不仅美观还提升了刚度及阻尼性。但是碳纤维框架存在抗冲击性弱、接头强度弱的问题。石墨烯碳纤维复合材料可以提升抗冲击性，它与环氧树脂-碳纤维材料相比，拉伸强度提高10%，抗冲击性提高10%，对自行车及运动员的保护作用将极大改善。

3 石墨烯镁基复合材料体育器材样品制备

（1）试验材料。本文选择工业级Mg、Zn、Mn、Al粉、石墨烯、适量无水酒精对体育器材中的石墨烯镁基复合材料进行制备，按比例称重之后加入少量无水酒精促进石墨烯分散，将其进行超声处理后，在压力2 200 N/cm2条件下压制3 min，之后在温度500℃条件下真空处理4 h，最后进行挤压以及固溶处理得到石墨烯镁基复合材料增强试样，试样成分如表2所示。

由表2可知，复合材料由石墨烯和Mg等组成，通过显微观察无明显分散，无团聚现象。

（2）制备工艺。石墨烯镁基复合材料体育器材试样制备工艺流程如图1所示。

4 力学性能优化效果

4.1 测试环境

设备：CMT4000型电子万能试验机、JSM6510扫描电镜;对比材料：AZ31镁合金;温度：-20、20、300℃。

4.2 测试结论

不管在哪一種温度下，石墨烯镁基复合材料的拉伸强度与对比材料相比均有大幅提升[5]。石墨烯镁基复合材料与AZ31镁合金拉伸强度对比，结果如表3所示。

由表3可以看出，无论是在-20℃，还是20、300℃温度环境下，石墨烯镁基复合材料的抗拉伸强度比AZ31镁合金材料都有大幅提升。在温度-20℃时提升了411%，20℃时提升了149%，300℃时提升了526%。由此可以说明：石墨烯镁基复合材料拥有更好的力学性能。

5 耐腐蚀性能优化效果

5.1 测试环境

对比材料：AZ31镁合金;溶液：质量分数5%NaCl溶液;扫描速度：0.002 mm/s。

5.2 测试结论

石墨烯镁基复合材料的腐蚀电位从-0.923 V正移至-0.639 V，材料的腐蚀电位越正说明耐腐蚀性越好。由此可以说明，石墨烯镁基复合材料制备的体育器材试样具有更好的耐腐蚀性。

6 耐磨损性能优化效果

6.1 测试环境

设备：MMUD-5B型高温摩擦磨损试验机;对比材料：AZ31镁合金;温度：20、150、300℃;磨损载荷：100 N;磨轮转速：250 r/min;磨损时间：10 min;相对滑动速度：90 mm/min。

6.2 测试结论

不管在哪一种温度下，石墨烯镁基复合材料制作的体育器材试样的磨损体积与对比材料相比都更小一些，结果如表4所示。

由表4可知，磨损体积越小说明耐磨性能越高。由此可以说明，石墨烯镁基复合材料具有更好的耐磨损性能[6]。

7 结语

本文从体育器材生产设计要求及常见纤维增强复合材料的应用介绍出发，列举了石墨烯镁基材料的优势以及在体育器材中的实际应用，并与AZ31镁合金材料做了性能比较，证明石墨烯镁基复合材料可以作为体育器材生产的更优质材料;但在经济成本、未来发展趋势方面的分析还有所欠缺，需要进一步进行例证。

参考文献

[1]王 静. 纤维增强复合材料及其在体育娱乐器材中的应用[J]. 合成材料老化与应用，2019（06）：137-140.

[2]程玉柱. 碳纤维复合材料体育器材装备工艺优化与性能分析[J]. 合成材料老化与应用， 2020（05）：161-163+109.

[3]刘 冬，谢 佳. 碳纤维增强复合材料特性及其在体育器材中的应用[J]. 合成材料老化与应用， 2020（04）：144-146.

[4]张小跃. 碳纤维复合材料强度对体育器材耐磨性能的影响[J]. 合成材料老化与应用，2020（04）：160-162+32.

[5]袁永彦. 体育器械用碳纤维复合材料的性能与应用研究[J]. 粘接，2020（05）：67-70.

[6]吕 晶. 新型的纳米材料在体育器材中的应用及性能研究[J]. 合成材料老化与应用，2020（01）：80-83.