碳纖維復(fù)合材料對(duì)高爾夫球桿阻尼性能的影響因素

徐立功， 鞠明杰（華東理工大學(xué)體育科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

碳纖維復(fù)合材料對(duì)高爾夫球桿阻尼性能的影響因素

徐立功， 鞠明杰
（華東理工大學(xué)體育科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

采用實(shí)驗(yàn)室自制的雙組分聚氨酯基體樹脂與T700碳纖維共聚制備了一系列聚氨酯基碳纖維復(fù)合材料薄板，并對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明：當(dāng)形變量小于0.5%及形變速率小于0.4%/s時(shí)，材料的阻尼性能不發(fā)生明顯變化；碳纖維取向角度對(duì)阻尼性能有明顯影響，隨取向角度增大，阻尼性能下降。將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者基本吻合，為采用聚氨酯基碳纖維復(fù)合材料制備高爾夫球桿的計(jì)算提供數(shù)據(jù)參考。

阻尼性能；碳纖維復(fù)合材料；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

高爾夫球桿在擊球過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量并以球桿發(fā)生彎曲形變的形式儲(chǔ)存，如果阻尼性能差，能量釋放速率過快，易導(dǎo)致手部疲勞，因此，球桿能夠依靠其自身阻尼性能最大程度地慢速釋放擊球振動(dòng)所產(chǎn)生的能量是十分必要的［1-3］。材料的阻尼性能Ψ由損耗因子η來表征，其結(jié)果由耗能模量E″和儲(chǔ)能模量E′的比值決定［4］。理論上阻尼性能越好，減震作用越明顯，但阻尼性能的提高一般都伴隨著材料剛性的下降。而聚氨酯基碳纖維復(fù)合材料卻為兼顧高阻尼性能及高剛性提供了可能。這是因?yàn)樘祭w維的剛性高，阻尼性能低，而聚氨酯基體樹脂則具備優(yōu)異的阻尼特性［5］，且阻尼性能可根據(jù)樹脂配方進(jìn)行調(diào)整。因此，只要通過實(shí)驗(yàn)找到兩者恰當(dāng)?shù)幕旌媳壤?，完全有可能制備出兼?zhèn)涓咦枘嵝院透邉傂缘牟牧稀?/p>

眾多學(xué)者已對(duì)傳統(tǒng)的復(fù)合材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行過深入的研究，如Betzler和Slater等［6］研究了3種不同球桿在形變?yōu)?.4%及形變速率為0.1%/s時(shí)，下?lián)]過程中球桿剛性的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)球桿剛性在整個(gè)揮動(dòng)過程中基本不發(fā)生變化；Berthelot等［7］研究了受力頻率、碳纖維板的長(zhǎng)寬比及彎曲模式對(duì)損耗因子的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：將應(yīng)力頻率從50 Hz增加到600 Hz時(shí)，凱夫拉（KEVLAR）纖維增強(qiáng)材料的損耗因子增加了18%，而玻璃纖維增強(qiáng)材料的損耗因子增加了26%，同時(shí)，將復(fù)合材料板的長(zhǎng)寬比從5增加到100，材料的損耗因子也發(fā)生明顯的變化。

目前，鮮見有科研人員對(duì)聚氨酯基碳纖維復(fù)合材料的阻尼性能進(jìn)行研究，以其制備高爾夫球桿也鮮見報(bào)道。為考察其可行性，本實(shí)驗(yàn)用碳纖維增強(qiáng)聚氨酯樹脂制備了7塊復(fù)合材料薄板，并對(duì)這些薄板進(jìn)行了一系列阻尼性能測(cè)試，研究了形變速率、形變量及薄板中碳纖維取向角對(duì)薄板阻尼性能的影響，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)［8］理論推算數(shù)據(jù)相比較，為采用聚氨酯基碳纖維復(fù)合材料制備高爾夫球桿提供數(shù)據(jù)參考。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1原料及制備工藝

采用日本東麗公司的T700碳纖維和根據(jù)文獻(xiàn)［9］自制的雙組分聚氨酯樹脂，用模壓工藝［10］制備了7塊具有不同碳纖維取向角（圖1）的薄板，所有薄板中纖維的體積分?jǐn)?shù)均為45%，固化條件均為125℃、1 h，規(guī)格如表1所示。

1.2測(cè)試儀器及原理

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能采用日本東機(jī)產(chǎn)業(yè)公司型號(hào)為Rheogel-E4000的DMA（Dynamic Thermomechanical Analysis）測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。原理如下：每塊板材在底端10 mm處被夾緊，另外一端兩側(cè)各連接一塊磁極，如圖2所示。信號(hào)發(fā)射器產(chǎn)生一個(gè)頻率及強(qiáng)度可調(diào)的正弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器傳遞至電磁鐵，電磁鐵通過與薄板上端磁極的相互作用將呈正弦變化的能量

表1　不同碳纖維取向角的板材規(guī)格Table 1 Panels specification of different carbon fiber orientations

圖2　材料阻尼性能的計(jì)算原理Fig.2 Calculation principle of materials damping performance

信號(hào)傳遞至薄板，此過程能量無損失；隨后能量經(jīng)過薄板傳遞至其下方的應(yīng)力計(jì)量器，根據(jù)能量的前后變化計(jì)算出材料的阻尼性能。

靜態(tài)力學(xué)性能采用日本島津AG-2000A型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測(cè)試板材在以0.01%/s的形變速率達(dá)到1%形變總量過程中的力學(xué)性能變化曲線。

2　結(jié)果與討論

2.1形變速率對(duì)損耗因子的影響

圖3為形變速率對(duì)不同碳纖維取向角薄板的損耗因子的影響示意圖。從圖3可以看出，當(dāng)形變速率低于0.4%/s時(shí)，隨形變速率的變化，1#～7#薄板損耗因子無明顯變化，說明材料的模量（E′和E″）在這一形變速率范圍內(nèi)基本不發(fā)生變化，與Betzler 和Slater在文獻(xiàn)［6］中提到的只有當(dāng)形變速率高于0.4%/s時(shí)，形變速率才會(huì)對(duì)模量產(chǎn)生明顯影響的結(jié)論相符合。這是因?yàn)楫?dāng)碳纖維取向角度固定，且形變速率較低時(shí)，材料有足夠的時(shí)間通過發(fā)生彈性形變來儲(chǔ)存外界施加在材料上的能量，能量消耗較少，即保持儲(chǔ)能模量E′和耗能模量E″都基本不發(fā)生明顯變化；而當(dāng)形變速率高于0.4%/s時(shí)，意味著外界施加的能量變大，與低形變速率相比，材料無法通過彈性形變儲(chǔ)存更多的能量，多余的能量被材料以內(nèi)生熱或發(fā)生永久形變的方式消耗掉，此時(shí)，E′變小或不變，而E″變大，損耗因子也隨之變大。

圖3　形變速率對(duì)不同碳纖維取向角薄板的損耗因子的影響Fig.3 Influence of strain ratio on the loss factor of panels with different carbon fiber orientations

2.2彈性形變范圍內(nèi)外力對(duì)損耗因子的影響

圖4示出了5個(gè)薄板樣品的靜態(tài)拉伸曲線，從中可以看出，在0～0.5%的形變范圍內(nèi)，隨形變量的增大，拉力基本上呈線性增大趨勢(shì)，符合胡克定律。根據(jù)Jones等［11］研究發(fā)現(xiàn)的對(duì)于拉力與形變呈線性變化的聚合物，即便在高形變下，其阻尼性能也基本不發(fā)生變化的結(jié)論，推測(cè)5個(gè)樣品的阻尼性能在這一形變范圍內(nèi)也基本不會(huì)發(fā)生變化。為了驗(yàn)證這一推論，對(duì)上述5個(gè)樣品在不同形變狀態(tài)下的損耗因子進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。

圖4　不同碳纖維取向角薄板的靜態(tài)拉伸曲線Fig.4 Static stretching curves of panels with different carbon fiber orientations

從圖5可以看出當(dāng)5個(gè)樣品的形變小于0.5%時(shí)，損耗因子確實(shí)沒有發(fā)生明顯變化，與上述推論相符。其原因是在這一形變范圍內(nèi)，聚合物內(nèi)部分子鏈之間僅發(fā)生彈性形變（即可將外力對(duì)薄板所做的功儲(chǔ)存起來），而沒有發(fā)生相對(duì)滑移，分子鏈之間無內(nèi)耗，因此，損耗因子無明顯變化；當(dāng)形變量大于0.5%時(shí)，5個(gè)樣品的損耗因子曲線都向上漂移，這是因?yàn)殡S形變量的增大，外力對(duì)薄板做的功超出其彈性形變的儲(chǔ)能范圍，多余的能量導(dǎo)致其分子鏈之間發(fā)生相對(duì)滑移并消耗部分能量，內(nèi)耗增多，損耗因子變大。

圖5　不同形變量對(duì)薄板的損耗因子的影響Fig.5 Influence of deformation on loss factor of panels

2.3碳纖維取向角對(duì)損耗因子的影響

圖6為薄板中碳纖維取向角度對(duì)損耗因子的影響示意圖，從中可以看出碳纖維取向角度對(duì)損耗因子有較大的影響。在保持樣品長(zhǎng)寬比不變的前提下，1#～7#樣品的損耗因子隨碳纖維取向角度的增大而依次增大。這是因?yàn)槔w維增強(qiáng)材料在某一方向上的模量主要由其中的纖維在該方向上的分量提供［12］，當(dāng)薄板中碳纖維取向角度變大時(shí)，材料在豎直方向上的儲(chǔ)能模量E′變小，當(dāng)外力對(duì)薄板做同樣多的功時(shí)，彈性形變儲(chǔ)存的能量變少，多余的能量使得聚合物分子鏈之間的內(nèi)耗增多，損耗因子隨之變大。

圖6　薄板中碳纖維取向角對(duì)損耗因子的影響Fig.6 Influence of different carbon fiber orientations on loss factor of panels

2.4測(cè)試值與理論值的對(duì)比

Adams和Bacon在1973年曾提出一個(gè)基于復(fù)合材料纖維取向來計(jì)算損耗因子的理論模型［8］，見公式（1），該模型對(duì)纖維呈單向取向的薄板在發(fā)生微小振動(dòng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果是十分精確的。

式中：Ψ表示材料的阻尼性能，Ψ=2πη；S11為從材料受力軸線方向上導(dǎo)出的一組柔度矩陣；ΨT和ΨLT分別表示材料在橫向和剪切力方向上的阻尼性能；ET和GLT分別表示材料在橫向和剪切力方向上的模量。

圖7為7個(gè)樣品采用公式（1）計(jì)算出的損耗因子與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的擬合曲線對(duì)比圖，從中可以看出二者無明顯差別。表明本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果符合理論值，因此在日后的材料設(shè)計(jì)及制備中可以為相關(guān)人員提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖7　損耗因子測(cè)試值與理論值對(duì)比Fig.7 Comparison of loss factor between theoretical value and test value

3　結(jié) 論

通過對(duì)7塊具有不同碳纖維取向角聚氨酯基復(fù)合材料薄板進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，考察了薄板的形變速率、形變量及碳纖維取向角對(duì)損耗因子的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)薄板的形變速率小于0.4%/s時(shí)，樣品的損耗因子未發(fā)生明顯變化；當(dāng)形變速率大于0.4%/s時(shí)，樣品的損耗因子隨形變速率的增大而增大。

（2）當(dāng)薄板的形變量低于0.5%時(shí)，損耗因子無明顯變化；而當(dāng)形變量高于0.5%時(shí)，薄板的損耗因子隨形變量的增大而增大。

（3）薄板中碳纖維的取向角越大，損耗因子也越大。為驗(yàn)證上述結(jié)論，將所有樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)與理論模型的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩條擬合曲線十分吻合，表明本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試方法可以為用聚氨酯基碳纖維復(fù)合材料制備高爾夫球桿的可行性提供數(shù)據(jù)參考。

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Influence of Carbon Fiber Composite Material on Damping Performance of Golf Clubs

XU Li-gong， JU Ming-jie
（School of Sports Science and Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

A series of composite panels were prepared by laboratory-made two-component polyurethane matrix resin and T700 carbon fiber were used to study the factors affecting the damping performance of golf clubs.The results of static and dynamic mechanical properties demonstrated that their damping performance didn’t change significantly when the deformation quantity was less than 0.5%and the strain rate was less than 0.4%/s.In addition，damping performance was significantly affected by the orientation degree of carbon fibers.The experimental results agree quite well with those calculated by theoretical model，which provides reference for preparation of golf clubs by carbon fiber composite based on polyurethane resin.

damping performance；carbon fiber composite material；dynamic mechanical properties

TB332

A

1006-3080（2016）01-0054-04 DOI：10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.01.009

2015-11-04

徐立功（1971-），男，安徽歙縣人，副教授，碩士，研究方向?yàn)轶w育經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)、材料。E-mail：xuligong@ecust.edu.cn