體育設(shè)施用碳纖維復(fù)合材料制備及其性能研究

薛 鑫

( 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西西安710000)

在職業(yè)體育事業(yè)迅速發(fā)展形勢(shì)下，由全民體育到競(jìng)技體育的轉(zhuǎn)變已經(jīng)愈發(fā)成熟，以此推動(dòng)了我國(guó)體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)及產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，而體育設(shè)施是保障體育運(yùn)動(dòng)開展的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)體育設(shè)施一般都是通過(guò)金屬或者木材等與塑料、橡膠搭配加以制作的，但是在體育設(shè)施設(shè)計(jì)領(lǐng)域不斷更新發(fā)展以及人們對(duì)于體育設(shè)施要求逐步提高的形勢(shì)下，傳統(tǒng)材料制作的體育設(shè)施由于過(guò)重、性能差、環(huán)保性差、危險(xiǎn)性高等問(wèn)題倍受詬病。而碳纖維材料以其自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，即耐高溫、質(zhì)輕、不易變形、節(jié)能環(huán)保、安全性高等，深受體育設(shè)施設(shè)計(jì)領(lǐng)域青睞［1］。據(jù)此，本文針對(duì)體育設(shè)施用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了一定探究。

1 體育設(shè)施用碳纖維復(fù)合材料制備

1.1 原料

岱山飛舟新材料有限公司生產(chǎn)的碳纖維布；永泰磁業(yè)有限公司生產(chǎn)的釹鐵硼粉體；Huntsman 公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂和脂肪族多元胺類固化劑；恒球科技有限公司生產(chǎn)的石墨烯；天津天大試劑公司生產(chǎn)的丙酮、HNO3、無(wú)水乙醇；耀華試劑有限公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑。這些材料主要應(yīng)用于碳纖維布增強(qiáng)-CH（O）CH-復(fù)合材料制備。

1.2 方法

碳纖維復(fù)合材料制備需要經(jīng)過(guò)五個(gè)階段［2］，即基于硅烷偶聯(lián)劑表面改性處理釹鐵硼；去膠處理碳纖維布；表面氧化處理碳纖維；石墨烯預(yù)處理；表面改性處理碳纖維，即硅烷偶聯(lián)劑與石墨烯雙重改性。

在制備碳纖維復(fù)合材料之前，需預(yù)清理干凈模具，然后針對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行涂膜劑涂覆，并風(fēng)干處理。稱取定量釹鐵硼粉體，利用磁力攪拌機(jī)，混合攪拌釹鐵硼粉體與環(huán)氧樹脂3h，按照質(zhì)量比5：2 混合所獲得混合材料與固化劑，以得到混合樹脂。利用混合樹脂將碳纖維布浸潤(rùn)之后，放置在風(fēng)干模具中以手動(dòng)方式平鋪三層。靜置12min 之后，上蓋壓實(shí)，同時(shí)將四周溢出的樹脂清理干凈。把擰緊并且壓實(shí)之后的模具放置在80℃的烘烤箱內(nèi)，保溫處理30min，然后在烘烤箱中自行冷卻，直到室溫狀態(tài)，然后取出碳纖維材料并進(jìn)行鈍邊處理，以后續(xù)備用。

1.3 儀器

碳纖維復(fù)合材料性能測(cè)試所用儀器：永泰磁業(yè)有限公司生產(chǎn)的掃描電鏡進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料表面形貌觀察處理；德國(guó)MAGSYS 公司生產(chǎn)的充磁機(jī)進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料充磁處理；美國(guó)lakeshore 公司生產(chǎn)的磁通計(jì)進(jìn)行磁通量測(cè)定。對(duì)40×20×2 mm 的碳纖維復(fù)合材料試樣進(jìn)行性能測(cè)試［3］，充磁時(shí)設(shè)定首充電壓為800V，充磁電壓為2060V。

2 體育設(shè)施用碳纖維復(fù)合材料性能分析

2.1 基于硅烷偶聯(lián)劑的釹鐵硼顯微形貌

通過(guò)掃描電鏡［4］，基于硅烷偶聯(lián)劑的釹鐵硼處理前后顯微形貌如圖1 所示。

圖1 基于硅烷偶聯(lián)劑的釹鐵硼處理前后顯微形貌示意圖Fig.1 NdFeB treated with silane coupling agent before and after treatment

由圖1 可知，在未經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理之前，釹鐵硼粉體存在不規(guī)則形體，邊緣呈尖銳狀態(tài)，顆粒之間的間距也相對(duì)明顯，表面表現(xiàn)為光滑狀態(tài)，粗糙度偏小，在與環(huán)氧樹脂基體結(jié)合的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)細(xì)的裂紋。而經(jīng)過(guò)硅烷聯(lián)偶劑處理之后，釹鐵硼粉體表面粗糙度顯著強(qiáng)化，且出現(xiàn)了褶皺，外表包裹了聯(lián)偶劑分子層，促使粉體與環(huán)氧樹脂基體之間的粘度增大，有效降低了出現(xiàn)裂紋的幾率。

2.2 改性前后碳纖維材料的顯微形貌

基于掃描電鏡，改性之后的碳纖維原絲，以及濃HNO3氧化后與石墨烯改性后的碳纖維材料顯微形貌具體如圖2 所示。

圖2 改性前后碳纖維材料的顯微形貌示意圖Fig.2 Carbon fiber before and after modification

由圖2 可知，碳纖維材料改性后的碳纖維原絲表面光滑，粗糙度低，會(huì)直接影響與環(huán)氧樹脂基體之間的有效粘結(jié)，且二者間受外力阻礙時(shí)，無(wú)法面向外界傳輸消息，且極易拔出碳纖維原絲；在濃HNO3氧化之后的碳纖維材料表面存在許多縱向溝槽，且相比碳纖維原絲，溝槽深度也較深，表面粗糙度也有所增強(qiáng)，在很大程度上提高了碳纖維材料比表面積，有助于碳纖維原絲和環(huán)氧樹脂基體之間順利黏結(jié)；在石墨烯改性之后的碳纖維材料表面存在大量片層，大多分布于溝槽之中［5］，這就說(shuō)明在濃HNO3氧化之后與石墨烯改性之后，碳纖維材料表面的相互粘結(jié)力度增加，且二者不會(huì)彼此排斥，同時(shí)也在一定程度上增大了碳纖維材料與環(huán)氧樹脂基體之間的粘結(jié)。

3.3 基于不同硅烷偶聯(lián)劑含量的碳纖維復(fù)合材料磁通量

不同硅烷偶聯(lián)劑含量對(duì)于碳纖維復(fù)合材料磁通量的影響結(jié)果見表1。

表1 不同硅烷偶聯(lián)劑含量下碳纖維增強(qiáng)-CH(O)CH-復(fù)合材料的磁通量Table 1 Magnetic flux of carbon fiber reinforced -CH (O)CH- composites with different silane coupling agent contents

由表1 可知，硅烷偶聯(lián)劑含量為0% 時(shí)，磁通量只達(dá)到9.34mWb；硅烷偶聯(lián)劑含量在1～5% 時(shí)，磁通量則出現(xiàn)了一定程度的提高；且在硅烷偶聯(lián)劑含量不斷增加的趨勢(shì)下，復(fù)合材料磁通量呈現(xiàn)為先增加后減少的狀態(tài)，而在含量2% 時(shí)，復(fù)合材料磁通量最大；基于磁通量與磁性能間的正相關(guān)關(guān)系［6］可以得知，碳纖維復(fù)合材料磁性能在硅烷偶聯(lián)劑含量為2%時(shí)處于最佳狀態(tài)。

3.4 石墨烯改性后碳纖維復(fù)合材料的磁通量

基于25℃溫度，隨著釹鐵硼含量變化，石墨烯改性前后碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料的磁通量變化結(jié)果具體見表2。

表2 石墨烯改性前后碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH-復(fù)合材料的磁通量Table 2 Magnetic flux of carbon fiber reinforced -CH (O)CH- composites before and after graphene modification

由表2 可知，基于25℃溫度，在釹鐵硼含量逐步增加的趨勢(shì)下，石墨烯改性前碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH-復(fù)合材料的磁通量隨之增大，石墨烯改性后的磁通量也隨之增大，改性前后的變化趨勢(shì)大體一致。

基于125℃溫度，隨著釹鐵硼含量變化，石墨烯改性前后碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料的磁通量變化結(jié)果見表3。

表3 石墨烯改性前后碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH-復(fù)合材料的磁通量Table 3 Magnetic flux of carbon fiber reinforced -CH (O)CH- composites before and after graphene modification

由表3 可知，基于125℃溫度，在釹鐵硼含量逐步增加的趨勢(shì)下，碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料的磁通量呈現(xiàn)為不斷增大的狀態(tài)，而石墨烯改性前后對(duì)于碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料磁通量造成的影響并不顯著。

由表2 與表3 可知，釹鐵硼含量不同時(shí)，碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料處于25℃與125℃溫度下，其磁通量發(fā)生了一定改變，相較于25℃溫度，在125℃溫度時(shí)碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料磁通量出現(xiàn)了小程度下降，也就是在石墨烯改性后，碳纖維復(fù)合材料經(jīng)過(guò)125℃溫度處理之后，出現(xiàn)了退磁現(xiàn)象［7］。石墨烯改性前后碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料的退磁率見表4。

表4 石墨烯改性前后碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料的退磁率（%）Table 4 Demagnetization rate of carbon fiber reinforced -CH(O) CH- composites before and after graphene modification

由表4 可知，基于不同釹鐵硼含量，相較于石墨烯改性前，碳纖維增強(qiáng)-CH（O）CH- 復(fù)合材料在石墨烯改性后的退磁率明顯較小，這就表明釹鐵硼含量對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的退磁率存在一定程度上的抑制作用。但是總體來(lái)講，石墨烯改性前后，碳纖維復(fù)合材料的退磁率都嚴(yán)格控制于5%之內(nèi)，磁性與穩(wěn)定性都表現(xiàn)良好。

3 碳纖維復(fù)合材料在體育設(shè)施中的實(shí)際應(yīng)用分析

3.1 球拍類

球拍類體育設(shè)施中的網(wǎng)球拍與羽毛球拍最為常見，利用碳纖維復(fù)合材料制成的球拍，可保證球拍具備良好延展性、抗擊打性、防震性、摩擦力［8］，可避免出汗之后打滑，影響發(fā)揮。而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，球和球拍接觸時(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)，碳纖維復(fù)合材料可降低震動(dòng)力，利于運(yùn)動(dòng)員評(píng)估球的運(yùn)動(dòng)軌跡，以選擇最佳角度與力度，穩(wěn)定擊打球體。

3.2 桿棒類

桿棒類體育設(shè)施中常見的有高爾夫球棒與撐桿，其需具備強(qiáng)大的彈性。高爾夫球棒以碳纖維復(fù)合材料的纏繞成型工藝制成，可確保其高彈性特征，以延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)員擊球時(shí)間和距離；撐桿以碳纖維復(fù)合材料的注塑成型工藝制成，可確保其耐用性與質(zhì)輕等特征。

3.3 健身板類

滑雪板與帆船板等屬于體育健身板類設(shè)施，要求具備較高減震性［9］。滑雪板需就運(yùn)動(dòng)員體重實(shí)際情況，具有充足的強(qiáng)度，且在比賽過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作或者發(fā)生震動(dòng)時(shí)，可以具備足夠穩(wěn)定性與減震性，以碳纖維復(fù)合材料制備的三維夾心結(jié)構(gòu)滑雪板穩(wěn)定性與減震性十分突出，在比賽過(guò)程中可為運(yùn)動(dòng)員節(jié)省力氣。帆船板屬于水上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，需要運(yùn)動(dòng)員不斷加快帆船速度，才可獲得較好成績(jī)，這就要求帆船板必須具備質(zhì)輕與耐腐蝕特征，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料的模壓成型工藝制成帆船板，其不僅密度低，且耐腐蝕性高，可確保比賽過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員更為輕便。

3.4 自行車

碳纖維材料在自行車領(lǐng)域的原始應(yīng)用主要體現(xiàn)在碳纖維管與鋁合金接頭粘接上，以此生成的自行車車架更為輕便，強(qiáng)度更高［10］。在20 世紀(jì)80 年代到今天，碳纖維復(fù)合材料制成的自行車早已取代了金屬材料制成的自行車，由車架到車前叉、后叉、車踏板、輪圈等都可利用碳纖維復(fù)合材料加工制造，其所生成的自行車不僅質(zhì)輕，且輕便高強(qiáng)。

4 結(jié)論

針對(duì)體育設(shè)施制備了碳纖維復(fù)合材料，并進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)硅烷聯(lián)偶劑處理之后，釹鐵硼粉體表面粗糙度顯著強(qiáng)化，且出現(xiàn)了褶皺，外表包裹了聯(lián)偶劑分子層，促使粉體與環(huán)氧樹脂基體之間的粘度增大，有效降低了出現(xiàn)裂紋的幾率；在濃HNO3氧化之后與石墨烯改性之后，碳纖維材料表面的相互粘結(jié)力度增加，且二者不會(huì)彼此排斥，同時(shí)也在一定程度上增大了碳纖維材料與環(huán)氧樹脂基體之間的粘結(jié)；在硅烷偶聯(lián)劑含量不斷增加的趨勢(shì)下，碳纖維碳纖維復(fù)合材料磁通量呈現(xiàn)為先增加后減少的狀態(tài)，而在含量2% 時(shí)，復(fù)合材料磁通量最大，基于磁通量與磁性能間的正相關(guān)關(guān)系可以得知，碳纖維復(fù)合材料磁性能在硅烷偶聯(lián)劑含量為2%時(shí)處于最佳狀態(tài)；釹鐵硼含量不同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料處于25℃與125℃溫度下，其磁通量發(fā)生了一定改變，相較于25℃溫度，在125℃溫度時(shí)碳纖維復(fù)合材料磁通量出現(xiàn)了小程度下降，即在石墨烯改性后，碳纖維復(fù)合材料經(jīng)過(guò)125℃溫度處理之后，出現(xiàn)了退磁現(xiàn)象；基于不同釹鐵硼含量，相較于石墨烯改性前，碳纖維復(fù)合材料在石墨烯改性后的退磁率明顯較小，這就表明釹鐵硼含量對(duì)于材料退磁率存在一定程度上的抑制作用。