基于熱處理工藝的羽毛球拍桿用鋁基復(fù)合材料性能研究

(西安思源學(xué)院， 陜西 西安 710038)

隨著體育用品行業(yè)的不斷發(fā)展，消費市場對于高質(zhì)量體育器材的需求日益擴大。羽毛球拍作為羽毛球運動的基礎(chǔ)性器材，其拍桿的質(zhì)量直接決定了羽毛球拍的質(zhì)量和使用壽命。本文以鋁基復(fù)合材料制成的羽毛球拍桿作為研究樣本，具體分析不同熱處理工藝下羽毛球拍桿的物理性能[1-3]。并且在完成實驗后還需要通過顯微鏡來觀察鋁基復(fù)合材料在經(jīng)過熱處理后的表面情況。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

本次研究采用噴射成型法，將氮氣作為霧化氣體制備鋁基復(fù)合材料的沉積坯，再以1500T擠壓機對其實施熱擠壓處理，擠壓系數(shù)為12，環(huán)境溫度為420 ℃，最終獲得直徑10 mm，長度為680 mm的長方形鋁基復(fù)合材料，該材料的具體成分為：鋁80.18%、碳化硼8.03%、鈦0.22%、銅2.51%、鎂2.54%、鋅6.52%。

1.2 熱處理工藝

針對鋁基復(fù)合材料所實施的熱處理工藝分別有A、B、C、D四種，各工藝的熱處理制度分別如下：

工藝A：455 ℃×2 h單級固溶+130 ℃×24 h單級時效；

工藝B：440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h雙級固溶+130 ℃×24 h單級時效；

工藝C：455 ℃×2 h單級固溶+120 ℃×8 h+160 ℃×16 h雙級時效；

工藝D：440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h雙級固溶+120 ℃×8 h+160 ℃×16 h雙級時效。

1.3 實驗方法

本次研究利用中路通儀器生產(chǎn)的STT-930M型耐磨損性能測定儀對鋁基復(fù)合材料的耐磨損性能進行測試，直接獲取不同熱處理制度下鋁基復(fù)合材料的磨損體積；利用Naturethink公司生產(chǎn)的HKJ-5001型阻尼測試分析儀對鋁基復(fù)合材料的阻尼性能進行測試，直接獲取不同熱處理制度下鋁基復(fù)合材料的阻尼系數(shù)[4-6]；通過以下公式計算鋁基復(fù)合材料的抗彎剛度：

(1)

式中：EI為抗彎剛度；m為實驗系統(tǒng)質(zhì)量;l為將實驗系統(tǒng)跨度；f為實驗系統(tǒng)的固有頻率。

2 實驗結(jié)果

2.1 耐磨損性能測試結(jié)果

本次研究中鋁基復(fù)合材料的耐磨損性能測試結(jié)果如圖1所示。鋁基復(fù)合材料的耐磨損性與磨損體積成反比[10]，四種不同熱處理工藝下的鋁基復(fù)合材料體現(xiàn)出了不同的耐磨損性。工藝A處理下的鋁基復(fù)合材料磨損體積最大，即耐磨性最差；工藝D處理下的鋁基復(fù)合材料耐磨性最好。工藝D處理下的鋁基復(fù)合材料的耐磨損性能接近工藝A的2倍。另外，雙級固溶對于鋁基復(fù)合材料耐磨損性的提升顯著高于雙級時效。

圖1 耐磨性能試驗結(jié)果

2.2 阻尼性能測試結(jié)果

本次研究中鋁基復(fù)合材料的阻尼性能測試結(jié)果如圖2所示，測試條件設(shè)置為 0.8Hz、 150 ℃[11-12]。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，工藝A熱處理下鋁基復(fù)合材料的阻尼系數(shù)最小，工藝D熱處理下鋁基復(fù)合材料的阻尼系數(shù)最大，比工藝A提升58%。雙級固溶結(jié)合雙級時效的熱處理方法能夠使鋁基復(fù)合材料阻尼系數(shù)得到明顯提升。另外，雙級固溶相比于雙級時效更加有利于提升鋁基復(fù)合材料的阻尼性能[13]。

圖2 阻尼性能測試結(jié)果

2.3 抗彎剛度測試結(jié)果

本次研究中鋁基復(fù)合材料的抗彎剛度測試結(jié)果如圖3所示。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，工藝D下的雙級固溶+雙級時效的熱處理方法在提升鋁基復(fù)合材料的抗彎剛度方面也有著十分顯著的作用，并且雙級固溶的熱處理效果更加突出。

圖3 抗彎剛度測試結(jié)果

2.4 鋁基復(fù)合材料表面SEM形貌分析

本次研究以SEM照片的方式對利用4種工藝進行熱處理的鋁基復(fù)合材料表面加以展示，其表面形貌如圖4所示。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過工藝A熱處理后的鋁基復(fù)合材料表面存在較深磨痕和大量的凹坑，代表該熱處理方式會對鋁基復(fù)合材料造成較為嚴重的磨損；通過工藝B進行熱處理的鋁基復(fù)合材料，其凹坑和磨痕狀況得到了一定的改善，磨損問題得到顯著緩解；而通過工藝C進行熱處理后的鋁基復(fù)合材料，其磨痕問題相比于工藝B出現(xiàn)了一定的改善，但凹坑現(xiàn)狀卻比工藝B更加嚴重；通過工藝D進行熱處理的鋁基復(fù)合材料表面僅存在細小磨痕，既無明顯凹坑也無較深磨痕，工藝D對于鋁基復(fù)合材料的磨損最為輕微，所得到的觀察結(jié)果與以上實驗結(jié)果相一致。

圖4 鋁基復(fù)合材料表面SEM形貌

3 結(jié) 論

本文對熱處理工藝對羽毛球拍桿用鋁基復(fù)合材料性能的影響進行了研究，根據(jù)耐磨損性能、阻尼性能、抗彎剛度三項指標(biāo)得到了鋁基復(fù)合材料熱處理的最佳方案，并通過SEM形貌觀察驗證了實驗結(jié)果。本文的研究結(jié)論如下：

(1)相比于455 ℃×2 h單級固溶來說，440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h雙級固溶可以顯著提升鋁基復(fù)合材料的耐磨損性能、阻尼系數(shù)與抗彎剛度，顯著強化三項主要的力學(xué)性能指標(biāo)。

(2)相比于130 ℃×24h單級時效的熱處理工藝來說，120 ℃×8h+160 ℃×16h雙級時效能夠顯著強化鋁基復(fù)合材料的耐磨損性能、阻尼系數(shù)與抗彎剛度。

(3)440 ℃×1.5 h+480 ℃×0.5 h雙級固溶+120 ℃×8 h+160 ℃×16h雙級時效的熱處理方案，能夠使鋁基復(fù)合材料的磨損體積減少約50%，增加抗彎強度約10%，提升阻尼系數(shù)約60%。