基于HTA-P30碳纖維高新化工材料在體育器材中的應(yīng)用與研究

李敬凱

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

現(xiàn)代的競(jìng)技體育是一項(xiàng)高標(biāo)準(zhǔn)、高科技的運(yùn)動(dòng)，為了能夠更好地發(fā)揮人們的實(shí)際水平、挑戰(zhàn)人類的極限，運(yùn)動(dòng)設(shè)備和體育器材的選擇有著很大的影響[1]。目前應(yīng)用在體育器材中最廣泛的材料是碳纖維復(fù)合材料[2-4]。由于其具有較高的韌性、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)，使得其能夠大量地應(yīng)用于高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等體育設(shè)備中。

碳纖維材料是一種復(fù)合的材料。其原絲為瀝青、粘膠纖維和聚丙烯腈，經(jīng)氧化和碳化作用最終形成的特種纖維[5-6]。碳纖維材料的主要特點(diǎn)是密度低、抗拉強(qiáng)度大、耐化學(xué)腐蝕和導(dǎo)熱率低[7]?？梢园凑詹煌男螒B(tài)、力學(xué)性能和原絲的類型進(jìn)行劃分[8]。本文以HTA-P30碳纖維高新化工材料作為研究對(duì)象，從其微觀形貌和聚合物產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)上分析其性能。

1 不同摻雜情況下碳纖維的彈性模量分析

對(duì)于碳纖維材料的性能來說，其彈性模量的大小很大程度上影響其使用功能。在應(yīng)力作用下，理想的彈性材料受力會(huì)發(fā)生變形，其應(yīng)力和應(yīng)變滿足胡可定律公式[9]，即：

式（1）中：E、σ 、ε 分別為材料的彈性模量、應(yīng)力和應(yīng)變。

其中，應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)應(yīng)的模量參數(shù)為：

式（2）中：F、A0、lΔ 分別為材料所受的外力、受力面積和受力的長(zhǎng)度變化；0l為材料的原始長(zhǎng)度。

式（3）中：G為材料的剪切模量；τ和γ分別為材料的切應(yīng)力和切應(yīng)變，θ為偏斜角。

式（4）中：B為材料的體積模量；V0和VΔ分別為材料的原始體積和體積變化量;P為材料所受到的均布應(yīng)力。

表1所示為摻雜不同的元素對(duì)碳纖維的彈性模量的影響。

表1 碳纖維彈性模量分析( GPa)Table1 Carbon fiber elastic modulus analysis

從表1中可以看出：當(dāng)碳纖維中摻雜Al和Mg時(shí)，其彈性模量顯著增加。當(dāng)材料的彈性模量越大時(shí)，其在受力的過程中越難變形。對(duì)于常見的體育器材來說，較好的剛度正好是其使用需要，故碳纖維應(yīng)用于體育器材時(shí)常添加一些其他的元素來增加其彈性模量。

2 HTA-P30碳纖維高新化工材料性能

碳纖維材料具有高比強(qiáng)度、耐疲勞、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，使得其成為廣泛使用的增強(qiáng)材料。其中HTA-P30碳纖維材料已普遍應(yīng)用于航天和體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。普通的碳纖維材料在使用過程中由于其表明粘結(jié)性能差，不能與其他材料進(jìn)行良好的結(jié)合，故一般都需要進(jìn)行改進(jìn)處理。為了能夠更好地發(fā)揮碳纖維材料的特性，普遍采用的方法有氧化法[10]、電聚合法[11]、等離子法[12]和電沉積法[13]等。經(jīng)過這些方法的處理后，碳纖維表面的界面性能更好，并且最大程度上保持了碳纖維材料的原始性能。

2.1 HTA-P30碳纖維材料的微觀形貌

使用發(fā)射掃描電鏡對(duì)普通的碳纖維進(jìn)行觀測(cè)，考察其表面的微觀形貌特征。如圖1所示為普通碳纖維的SEM照片。

圖1 普通碳纖維的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of ordinary carbon fiber

從圖1中可以看出：普通碳纖維的表面較光滑，只有軸向的部分有部分小的溝槽。此溝槽是碳纖維在生產(chǎn)過程中摩擦作用和表面的膠水造成的。由于普通碳纖維表面過于光滑，與其他材料的粘結(jié)性能較差，不能表現(xiàn)很好的物理性能，故需要對(duì)普通的碳纖維材料進(jìn)行加工處理。

圖2所示為HTA-P30碳纖維分別放大1000、3000倍的SEM照片，經(jīng)過改良的HTA-P30碳纖維表面出現(xiàn)了明顯較深的溝槽，增加了其表明的粗糙度。

圖2 HTA-P30碳纖維的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photo of HTA-P30 carbon fiber

研究選取的HTA-P30碳纖維材料基體為環(huán)氧/胺體系，其材料性能見表2。

表2 HTA-P30碳纖維材料性能Table 2 The properties of HTA-P30 carbon fiber material

2.2 HTA-P30碳纖維電聚合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析

圖3為普通碳纖維和HTA-P30碳纖維的紅外光譜。從圖3中可以看出， 3440cm-1是普通碳纖維表面-OH振動(dòng)吸收峰值。而HTA-P30碳纖維表面的水分已被處理,-OH吸收峰值不再明顯。經(jīng)過改進(jìn)后的HTA-P30碳纖維材料在2920cm-1、2850cm-1吸收的峰值明顯下降

圖3 碳纖維的紅外光譜：（a）普通碳纖維；（b）HTA-P30碳纖維Fig.3 Infrared spectrum of carbon fiber： (a) ordinary carbon fiber; (b) HTA-P30 carbon fiber

3 HTA-P30碳纖維在體育器材中的應(yīng)用

3.1 在球類運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

碳纖維材料在球類運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用非常廣泛。我們平常用到的羽毛球拍、網(wǎng)球拍和高爾夫球桿等都應(yīng)用到了碳纖維材料[14]。同時(shí)，現(xiàn)代體育競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于體育器材的安全性能要求越來越高，在很多高標(biāo)準(zhǔn)的足球比賽和籃球比賽中，其球架和架框包括球門很多都利用了碳纖維材料。碳纖維由于其良好的彈性模量，使得其應(yīng)用在球拍時(shí)能夠達(dá)到很高的減震效果同時(shí)還很輕便和舒適。不僅能夠在一定程度上提高運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平，還能有效地激發(fā)人類的運(yùn)動(dòng)天賦。

原始的足球和籃球球架都是用的比較硬的材料，對(duì)于球類比賽來說缺乏一定的彈性性能，同時(shí)還增加了運(yùn)動(dòng)員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用碳纖維材料不僅在強(qiáng)度上能夠保證，而且能夠確保運(yùn)動(dòng)員在沖擊狀態(tài)下的安全性能，讓人們更加放心地比賽。

3.2 在自行車生產(chǎn)中的應(yīng)用

國際上的自行車賽車上有很多車輛都應(yīng)用了碳纖維材料。其主要應(yīng)用與車身的車架、車輪部位，這些部位應(yīng)用碳纖維材料在很大程度上能夠降低車身的自重，增加運(yùn)動(dòng)員的舒適性，還能減少騎行過程中的阻力。同時(shí)，碳纖維應(yīng)用于自行車還能讓人們能夠直接的接觸新型的碳纖維材料，為大眾了解碳纖維材料提供了一個(gè)很重要的通道。

3.3 在賽車中的應(yīng)用

碳纖維材料應(yīng)用于賽車上與自行車有著異曲同工的效果，與之不同的是碳纖維材料應(yīng)用于賽車時(shí)需要結(jié)合一定的合金材料，從而能夠確保賽車有著可靠的強(qiáng)度[15]。另一方面，碳纖維與合金材料結(jié)合能夠在車輛發(fā)生碰撞時(shí)吸收大量的撞擊力，增加賽車的安全性能?，F(xiàn)階段的賽車由于其獨(dú)特的比賽特性，還沒有能夠發(fā)現(xiàn)一種碳纖維復(fù)合材料來代替其他合金材料的應(yīng)用。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段的體育器材中應(yīng)用復(fù)合材料越來越普遍，而碳纖維材料由于其優(yōu)良的特性應(yīng)用于體育器材非常廣泛。本文通過對(duì)碳纖維的彈性模量進(jìn)行分析，表明了碳纖維材料的彈性模量能夠很好地適用于體育器材的要求。同時(shí)，HTA-P30碳纖維材料相對(duì)于普通碳纖維材料，其表面粗糙，有很明顯的溝槽，能夠很好的與其他材料進(jìn)行結(jié)合發(fā)揮更好的性能。同時(shí)經(jīng)過改進(jìn)的HTA-P30碳纖維高新化工材料的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，能夠保持復(fù)合材料的整體穩(wěn)定性能。隨著體育器材的要求越來越嚴(yán)格，碳纖維材料也需要不斷的改進(jìn)才能更好地適應(yīng)整個(gè)社會(huì)的需求。