碳纖維復合材料強度對體育器材耐磨性能的影響

張小躍

（洛陽市教師進修學校,河南洛陽471022）

碳纖維復合材料將過去的復合材料設想成為一層沒有厚度的面，但實際碳纖維復合材料界面是具有納米以上尺寸厚度的，在結構上與增強體相是有明顯差別的。碳纖維復合材料界面形成可分為兩個階段，第一階段，是增強基體與纖維的接觸與浸潤過程，因增強纖維對基體分子的各種基團的吸附能力不同，在吸收的過程中，會降低表面物質的強度。使得界面聚合層在結構上會與聚合物本體產生很大的差異[1]。第二階段為樹脂的固化階段，在此過程中，要通過物理變化才能固化形成固定的界面層。固化的結果直接決定復合材料的強度。近年來，有關碳纖維復合材料的研究已經受到許多學者的重視，若碳纖復合材料的強度得到更新深入的研究，會進一步優化碳纖維復合材料的性能，推動新型碳纖維復合材料的設計，為后續發展奠定堅實的基礎。

體育器材是從事體育活動不可缺少的物質條件，尤其是競技體育方面，體育器材的質量會直接影響比賽的效果。當前體育運動的發展比較依賴科學技術，碳纖維復合材料作為一門新興的科學技術領域，在體育領域有著廣闊的應用空間，故基于這一點，決定以碳纖維復合材料強度對體育器材耐磨性能的影響為探索主題，以實驗的方式，探索碳纖維復合材料對體育器材耐磨性能的影響。

1 實驗準備

1.1 實驗材料

A：海寧泰爾欣新材料有限公司生產的聚丙烯睛基碳纖維。

B：東莞空客復合材料科技有限公司生產的T300 和T700 碳纖維高爾夫球桿。

C：沈陽久野化工原料有限公司生產的氫氧化鈉。

D：蘇州皓峰化工有限公司生產的濃硫酸。

E：山東偉多豐生物技術有限公司生產的碳酸氫銨。

F：選擇沈陽久野化工原料有限公司生產的磷酸二氫銨。

G：宏森環保生產的去離子水。

H：廣州潔派化工科技有限公司生產的丙酮。

I：金沐萊化工有限公司生產的無水乙醇。

J：德彥化工有限公司生產的正庚烷。

K：鄭州冠達化工有限公司生產的二溴乙烷。

L：江蘇海企國際股份有限公司生產的對苯磺酸。

M:選擇沈陽久野化工原料有限公司生產的基硅油。

N：夏盛實業集團生產的上漿劑。

O：東莞市弘贊復合材料科技有限公司生產的環氧樹脂。

P:選擇欣葉豪化工有限公司生產的酚醛樹脂。

1.2 樣品制備裝置

在本次實驗中所采用的T300 和T700 碳纖維高爾夫球是選自東莞空客復合材料科技有限公司的，這兩種試樣是運用圖1 中的電化學改性處理裝置處理的[2]。

圖1 電化學改性處理裝置Fig. 1 Electrochemical modification treatment device

圖1 為電化學改性實驗裝置的實體圖，該方法又被稱為陽極電解氧化法[3]。它是以陽極和石墨板做為陰極，以不同的酸堿鹽溶液作為電解液。在不同的直流電作用下，對碳纖維表面做改性處理[4]。該方法可以適當的增大纖維表面的粗糙度和強度。以此達到改善碳纖維復合材料界面結合性能的目的。電化學改性處理裝置適用于在線配套使用。在本次研究中，將采用堿性電解液做電化學改性處理，改性處理后的碳纖維復合材料強度就會發生變化。

圖2 為高溫除膠設備結構示意圖。

圖2 高溫除膠設備結構示意圖Fig. 2 Structure of high temperature degumming equipment

高溫除膠設備是負責保護碳纖維中的N2。當進入爐體時，氣流會垂直于纖維運行方向，在流過時會帶走表面裂解產物，再經過排氣口排出爐外[5]。廢氣是靠爐外引風機排出的。圖2 中的氣封管是負責封堵爐外空氣的，若有空氣從縫隙中進入爐罐，就會破壞爐內的惰性氛圍[6]。

圖3 為碳纖維高爾夫球桿結構圖。使用碳纖維復合材料制作而成[7]。

圖3 碳纖維高爾夫球桿模型Fig. 3 Carbon fiber golf club model

在實驗中，還采用了德國SCHENCK 公司生產的電子萬能實驗機，測試兩種不同強度的碳纖維復合材料對體育器材耐磨性能的影響。

1.3 實驗方案

將實驗準備的材料按照比例配置，實現宏觀的均勻混合。按照GB3354-82 采用深圳瑞格爾有限公司生產的拉伸機，測試兩種不同強度碳纖維復合材料對體育器材耐磨性能的影響，測試參數設置為V=1～6mm/min[8-9]。

2 實驗結果

強度為13.67cN/dtex 的T300 碳纖維高爾夫球桿和強度為16.84 cN/dtex 的T700 碳纖維高爾夫球桿的表面形貌掃描圖如圖4 所示。

圖4 兩種碳纖維高爾夫球桿的表面形貌掃描圖Fig. 4 Surface morphology of four kinds of carbon fiber golf clubs

圖5 兩種碳纖維高爾夫球桿的表面形貌掃描圖Fig. 5 Surface morphology of four kinds of carbon fiber golf clubs

圖5 是兩種碳纖維高爾夫球桿斷口相貌掃描圖。

圖5 是通過性能測試得到的結果。圖5（a）的碳纖維斷面邊緣沒有明顯的應力集中點，說明在耐磨性能測試中，碳纖可以承受拉伸負荷，雖然表面出現深淺不一的軸向溝槽，但不會造成纖維斷裂，影響器材的耐磨性能。而圖5（b）的纖維表面是主要缺陷處，說明在承受拉伸負荷時，容易造成應力集中，造成纖維斷裂。表面微小缺陷的存在都會成為纖維斷裂點，經過比較后得出，強度為13.67cN/dtex 的T300 碳纖維高爾夫球桿耐磨性能相比強度為16.84 cN/dtex 的T700 碳纖維高爾夫球桿更差。

3 討論與分析

大多數的體育器材都是由碳纖維復合材料的形式使用的，其中碳纖維增強樹脂基復合材料為主要形式。碳纖維增強樹脂基復合材料是用于增強體育器材的耐磨性能的，通過復合工藝制備而成的體育器材明顯優于原組分材料的一類新型材料，具有高強度和耐磨性好的特點[10]，已經成為最重要體育器材結構材料之一。

從實驗結果可以看出，T700 碳纖維高爾夫球桿的斷口處基本均勻，只有部分纖維排列稀疏處有白點，其他部位沒有。而T300 碳纖維高爾夫球桿在耐磨性能測試時，造成了嚴重損傷，導致橫向出現纖維跡象。為了更深入了解兩種試樣的耐磨性能，采用電子針進一步觀察了兩種試樣的縱截面組織和橫截面組織[11],如圖6 所示。

圖6 兩種試樣的縱截面和橫截面組織Fig. 6 Longitudinal section and cross section organization of two kinds of specimens

從圖6 可以看出，兩種試樣內部均存在發亮區，說明該處導電能力較差，導致點在該處富集。圖6（a）是T300 碳纖維高爾夫球桿的縱截面組織；圖6（b）是T300 碳纖維高爾夫球桿的橫截面組織；圖6（c）是T700 碳纖維高爾夫球桿的縱截面組織；圖6（d）是T700 碳纖維高爾夫球桿的橫截面組織[12]。

通過對比發現，圖6（a）的纖維排列均勻，但縱截面出現了凹槽，這是在打磨試樣過程中纖維剝落造成的。T300 碳纖維高爾夫球桿強度只有13.67cN/dtex，強度太低，導致試樣的縱截面組織中出現空洞和亮點；圖6（b）是T300 碳纖維高爾夫球桿的橫截面，從橫截面的組織中發現，基體中出現了空洞和亮點，這是由氣泡殘存在基體內導致的[13]。造成氣泡的原因有：（1）碳纖維樹脂在稀釋的過程中出現氣泡；（2）在浸漬纖維前，樹脂靜置不充分，導致成型過程中樹脂仍有氣泡；（3）基體在固化的過程中，拉擠成型速度過快，導致小分子產物來不及逸出，一直殘存在基體內。

另外，在實驗中發現，空洞的存在嚴重影響了纖維與基體界面的結合[14]。在磨樣的過程中，掉絲嚴重，導致凹槽出現。由界面浸潤理論可知，若浸潤時間不夠，界面上就會出現空隙。在承受外力時，也會出現裂痕，嚴重影響器材的耐磨性能。由此，說明T300 碳纖維高爾夫球桿的耐磨性能差。

從圖6 可以看出，T700 碳纖維高爾夫球桿試樣的纖維表面粘附了大量的基體，從圖6（c）可以看出，基體出現了臺階式斷裂，說明在耐磨測試的過程中，基體裂紋是沿著界面擴展得很短。當基體穿過纖維時，纖維和基體是一起斷裂的，它可以很好地將載荷傳遞給纖維，達到很好的耐磨性能；從圖6（d）可以看出，試樣亮塊相比T300 碳纖維高爾夫球桿的亮塊要少很多，而且沒有凹槽[15]。雖然在磨樣的過程中出現了掉絲的現象，但經過進一步處理，可以很好地將碳纖維復合材料中的基體固化。在固化的過程中，內部空洞逐漸消失，使得碳纖維復合材料界面結合強度得到有效的提高。

由此可知，在制備樣品的過程中，若采用強度低的碳纖維復合材料會直接影響體育器材的耐磨性能，造成結構缺陷，導致體育器材耐磨性能降低。

4 結束語

通過對比強度為13.67cN/dtex 的T300 碳纖維高爾夫球桿和強度為16.84 cN/dtex 的T700 碳纖維高爾夫球桿的耐磨性能可知，碳纖維復合材料的強度會直接影響體育器材耐磨性能，若改性基體與碳纖維之間的界面結合就會增加基體的缺陷，導致體育器材耐磨性能變差。因此，強度高的碳纖維復合材料是避免體育器材內部缺陷的關鍵因素，故在后續的研究中，應該重點研究此項因素對體育器材的影響。