碳纤维/环氧复合材料特性及对竞技体育器材影响

李娜

摘要：现代竞技体育不断刷新人类的运动极限，给专业体育器材提出了更高的要求，碳纤维增强环氧树脂复合材料是一种热固性高性能复合材料，对碳纤维增强环氧树脂材料在自行车、网球、羽毛球和曲棍球中的应用进行了分析。结果表明，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料制造的运动器材的性能得到了极大的提升，在热性能、界面性能、力学性能和抗疲劳性能方面都有显著的效果。碳纤维增强环氧复合材料被广泛用于体育器材的改进，对促进竞技体育的进一步发展具有良好的前景和巨大的潜力。

关键词：碳纤维；环氧树脂；聚合物复合材料；运动器材

中图分类号：TQ342+.742            文献标志码：A         文章编号：1001-5922（2023）03-0069-04

Research  on the properties  of carbon fiber/epoxycomposite materials  and  its  effects  on  sports  equipment

LI Na

（XinJiang Normal University，XinJiang Urumqi 830000）

Abstract： Modern competitive sports constantly refresh human movement limit，put forward higher requirements for professional sports equipment，and promote the continuous and rapid development of advanced performance sports equipment. Among them，the material performance of sports equipment is the key to restricting the function of sports equipment，and is also an indispensable factor in achieving sports breakthrough. Various polymer composites standout among the new materials because of their outstanding advantages such as high temperature resistance，cor- rosion resistance，light weight，high mechanical strength，durability and so on. Carbon fiber reinforced epoxy resin composite  is  a thermosetting  high-performance  composite，which  can  be used to  manufacture  advanced  aircraft parts. It is a polymer composite with superior comprehensive properties. This study summarized the role of carbon fi- ber reinforced epoxy resin in bicycle，tennis，badminton and hockey. The results showed that the performance of sports equipment made of carbon fiber reinforced epoxy resin composites had been greatly improved，and had signif- icant effects on thermal properties，interface properties，mechanical properties and fatigue resistance. Therefore，car- bon fiber reinforced epoxy composites are widely used in the improvement of sports equipment，which has a good prospect and great potential to promote the further development of competitive sports.

Keywords： carbon fiber；epoxy resin；polymer composites；sports equipment

隨着经济的发展，人们的生活水平不断提高，越来越多的人放松地投入到各种体育运动中去，积极的运动不仅可以锻炼身体，还可以改善自己的爱好，现代体育竞赛的快速发展除了专业科学的训练，完善的物质和技术保障以外，也离不开运动器材的性能的不断改进与提升[1]。现代竞技体育在不断接近或突破人类极限的同时，对专业体育器材的挑战也提出了更高的要求。体育器材的作用尤为重要。选材已成为体育器材选材的一个重要方面，不同的选材所带来的效果是不同的[2]。传统体育用品大多采用木材和复合材料，材料的物理特性受到限制，材料不耐高温，易腐蚀，弹性差，体育成绩很难有实质性突破[3-5]。由于聚合物复合材料具有质量轻、强度高、设计灵活、加工方便等特点，在现代体育器材领域有着广泛的应用[6-8]。

碳纤维增强复合材料由于其优异的机械和热性能，在汽车、建筑、航空航天、体育和军事工业中有着广泛的应用。碳纤维增强复合材料的制备采用预浸料的方式，“预浸料”由一种增强纤维组成，该纤维在成型过程之前已被树脂浸渍[9-10]。它被形成所需的形状，然后通过加热固化。碳纤维增强环氧树脂质量轻、力学强度大、弯曲性能好，同时高度耐腐蚀和疲劳损伤，可以被运用于制造先进飞机的材料，也可以用于制造性能优异的体育运动器材[11]。

通过综合分析碳纤维增强环氧复合材料的热性能、界面性能、力学性能和抗疲劳性能，从而更有效、更准确地确定碳纤维增强环氧复合材料的效果。本文分析了碳纤维增强环氧复合材料对运动器材性能的影响，评价了碳纤维增强环氧复合材料对提高运动器材的性能具有的作用。

1 碳纤维增强环氧复合材料

1.1 碳纤维的特性

碳纤维的含碳量比无机聚合物高90%，其中最主要的组成部分是成六面形的C6石墨纤维结构组成的三维网状结构，因为这样的一种微观结构，从而赋予了碳纤维出色的轴向强度与模量，其绝对值与高强度相接近，而碳纤维的密度仅为高强度钢的19%，这样下来其比模量达到了钢的近5倍；而且碳石墨纤维的膨胀系数极其之小，比其他的材料几乎是小了差不多1～2个数量级，从而其在高温下不会产生蠕变现象，具有很好的耐久疲劳性。另外，碳纤维具有很强的耐腐蚀性，而且由于密度低，能够显著减少材料本身自重等[12-13]。碳纤维是一种力学性能优异的新型材料，碳纤维与聚合物组成的复合材料能够显著提升其抗拉性能与弯曲性能，碳纤维树脂复合材料与其他材料性能的对照如表1所示。

1.2 碳纤维环氧树脂复合材料特性

碳纤维环氧树脂复合材料由基材（环氧树脂），增强纤维（碳纤维）和交联部分（界面）组成。这个也就是说，碳纤维环氧树脂复合材料特性不单单取决于环氧树脂、碳纤维它们各自的性能和功能，与2种材料的相互的相容性也有很大的关系[14-15]。碳纤维良好的耐化学性和耐候性复合材料的改性通常基于界面改性，对于碳纤维环氧树脂复合材料，与树脂混合的碳纳米管仅添加树脂基体，而不形成梯度界面层，碳纤维在环氧树脂中的界面相容性为佳，能够显著增强善环氧树脂的机械力学性能，如比强度、比刚度和尺寸稳定性。同时，环氧树脂所具有的良好的耐化学性和耐候性也得到了充分的保留和实现，使其成为航空航天、轨道交通和风力发电等领域许多结构应用的理想选择。

1.3 碳纤维环氧树脂复合材料在体育用品中应用的优势

碳纤维增强环氧树脂复合材料用于体育器材，传统的体育运动器材所采用的材料无论是木头、钢铁、铝合金等材料总是或多或少的存在对其功能提升存在较大制约因素的缺陷，或者是质量太重，或者是刚性或弹性不足，易折断或损坏；或者是在一些严苛的环境中耐候性能不佳。钛合金运动器材虽然也能够解决上述问题缺陷，但是钛合金体育运动器材价格昂贵加工困难，与钛合金材料相比，碳纤维环氧树脂复合材料制造的运动器材其性能不输于钛合金材料，其更容易加工成型，因此，极大地降低了加工成本，具有显著优势[16-17]。

1.3.1 质量轻

在一些竞技体育的比赛中，在保证运动器材功能的基础上，降低材料的质量，有助于减少运动员体能的消耗，降低环境阻力，比如采用质量更轻的自行车、帆板、滑雪板等都能够使运动员的成绩得到进一步提升，像20 km公路自行车比赛用自行车的质量每减少1 kg，可以使其最终成绩提升20～30 s。采用碳纤维环氧树脂复合材料其密度只有铝合金的60%，因此，在这方面具有无可比拟的优势。

1.3.2  良好的力学性能

由于专业运动器材往往在接近人类力量与技巧极限的竞技比赛中发挥其作用，在这一过程中，往往需要承受运动员完成各项专业技术动作所产生的受力过程，因此，这就要求这些运动器材必须具有优异的力学性能，在其设定寿命期限内能够承受这些受力过程而不至于发生损坏，碳纤维环氧树脂复合材料的强度、比强度、模量和比模量都很高，而且碳纤维发生断裂，环氧树脂材料的阻尼作用可以防止材料整体失效；而碳纤维的存在也可以使环氧树脂的裂纹不再继续扩大，这在运动器材制造中是一项不可多得的优势。

1.3.3 易于外形设计

复合材料成型技术的发展使得其设计自由度比传统材料有了很大的提高，各种产品总能根据玩家自身的不同情况找到相应的成型方法。由于碳纤维复合材料在加工过程中也具有良好的塑性，因此其设计更加多样化。传统材料制成的运动器材由于材料本身的性能会受到限制，但复合材料的可塑性使人们对材料的设计空间更大。因此，可以根据用户的不同需求进行不同的设计，这是传统材料无法实现的。

1.3.4 其他的优势

在体育器材材料选择上须考虑到环境友好和成本效益，而碳纤维环氧树脂复合材料，在使用过程中不会挥发或释放有毒有害物质，而且材料回收方便，可以再次循环加工利用，原材料及生产加工成本不高，经济效益明显。

2 碳纤维增强环氧复合材料的性能分析与性能

碳纤维增强环氧树脂复合材料中碳纤维的杨氏模量是玻璃纤维的3倍多，是氨纶纤维的2倍左右。碳纤维增强环氧复合材料的耐腐蚀性也很好。碳纤维增强环氧复合材料的发明是材料史上的一次革命。碳纤维增强环氧复合材料以其高强度、高模量、耐高温、耐疲劳、导电性、质量轻等优异性能，成为取代传统材料的高性能材料的首选。

碳纖维增强环氧复合材料的界面为非极性界面，纤维表面没有活性官能团，使得碳纤维与树脂基体的界面粘接性能相对较弱。而界面又是增强体与基体之间的桥梁，因此碳纤维增强环氧树脂复合材料界面的性能在很大程度上决定着复合材料的性能[18]。良好的界面性能，有利于确保基体材料与增强纤维之间的载荷传递的有效性，防止内部裂纹扩展，从而降低应力集中，提高复合材料的最终性能。为了提高碳纤维和环氧树脂之间的界面性能，大多数碳纤维增强环氧复合材料都需要进行预处理，预处理的内容包括除去纤维表面杂质，蚀刻纤维表面以增加纤维界面能，引入具有极性的官能团或无机纳米粒子与树脂形成中间层。

碳纤维增强环氧复合材料损伤扩展规律的分析研究如图1所示。

通过分析图1中的数据和趋势，可以清楚地看到，碳纤维增强环氧复合材料的损伤扩展分为5个阶段：基体开裂、界面脱胶、分层、纤维断裂和断裂。可以确定，基于碳纤维增强环氧复合材料的损伤扩展规律对运动器材的设计具有重要的参考价值。

扫描电子显微镜（SEM）照片中未经处理的碳纤维和酸化的碳纤维如图2所示。

从图2的 SEM照片可以清楚地看到，酸化后，图2（b）中碳纤维的沟槽更加清晰，接枝的碳纳米管以不同的角度粘附在纤维表面，并沿纤维表面凹槽的外缘均匀分布。接枝后，碳纤维的质量增加了1.2%，这意味着许多碳纳米管被接枝到碳纤维表面。

碳纤维增强环氧复合材料的拉伸疲劳应力随时间的变化曲线如图3所示。

复合材料的疲劳试验表明，在试验前后都需要进行无损检测。对于试验前后材料中的缺陷和损坏，没有明显的防护措施。材料的最大疲劳为Smax，最小疲劳为Smin。探讨了疲劳对材料的影响以及界面与疲劳的关系和作用。

3 碳纤维增强环氧复合材料对运动器材的影响

3.1 碳纤维增强环氧复合材料对自行车性能影响

碳纤维增强环氧复合材料自行车的性能研究如图4所示。

从图4可以看出，与普通钢结构自行车相比，碳纤维增强环氧复合材料自行车车架在机械性能、热性能、耐疲劳性和界面性能方面都有显著改善。它为骑手节省了很多能量[19]。由此可见，碳纤维增强环氧复合材料极大地改善了自行车车架下的材料性能，碳纤维增强环氧复合材料的性能优势明显。

3.2 碳纤维增强环氧复合材料在网球和羽毛球拍的应用

采用碳纤维增强环氧复合材料制成的网球拍和羽毛球拍，质量轻，刚性应变小，能减少球与球拍接触时间的偏差程度；同时，良好阻尼有助于延长了球手与球的接触时间，使击发球获得较大的加速度。相关研究表明，用碳纤维增强环氧复合材料制成的网球拍与球的接触时间达到4.9 ms，比钢丝拍增加了近1 ms，这样可以使网球获得的最大初速度达到161 km/h，比钢丝拍提高了接近16 km/h，这样就可以使网球运动员获得更加优异的运动成绩[20]。

3.3 碳纤维增强环氧复合材料在曲棍球上的应用

近年来，一种采用碳纤维增强环氧复合材料制造的一体式复合曲棍球棒在国际曲棍球比赛中吸引了越来越多的运动员和教练员的目光，这种一体式的符合曲棍球帮的耐用性能显著的优于传统的由棍柄和棍头2部分的结构。有效的避免了在激烈的比赛中，发生连接处出现断裂的后果，提供更好的平衡性和使用感。而且由于这种曲棍球杆采取一体式铸造加工，这样也降低了制造成本。

4 结语

分析了碳纤维增强环氧树脂复合材料在自行车、网球、羽毛球和曲棍球中的作用。结果表明，以碳纤维增强环氧树脂复合材料为基础的运动器材的性能得到了极大的提升，在热性能、界面性能、力学性能和抗疲劳性能方面都有显著的效果。碳纤维增强环氧复合材料的损伤扩展分为5个阶段：基体开裂、界面脱胶、分层、纤维断裂、断裂。碳纤维增强环氧复合材料被广泛用于体育器材的改进，对促进竞技体育的进一步发展具有良好的前景和巨大的潜力。

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