鋁基復合材料熱處理工藝對羽毛球拍桿性能的影響研究

田永周

摘 要：文章對鋁合金基體材料熱處理工藝羽毛球拍桿綜合性能進行研究;探究鋁合金基體復合材料熱處理中試驗材料及四種不同熱處理機制實驗要求;根據實驗結果分別對羽毛球拍桿彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性進行分析研究。結果表明：羽毛球拍桿鋁合金基體材料熱處理時，應選用雙極溶劑以及雙極時效對應熱處理工藝參數進行加工，其能有效提升羽毛球拍桿彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性。

關鍵詞：鋁合金基體材料;羽毛球拍桿;熱處理加工;綜合性能;實驗研究

中圖分類號：TB333; TG156 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0061-04

Study on the Influence of Heat Treatment Technology of Aluminum Matrix Composite on the Performance of Badminton Racket Stick

Tian Yongzhou

（Xi an Traffic Engineering Institute，Xi an 710300， China）

Abstract：This paper studies the comprehensive performance of the badminton racket stick in heat treatment process of aluminum alloy matrix materials. To explore the experimental materials and the experimental requirements of four different heat treatment mechanisms in heat treatment of aluminum alloy matrix composites; According to the experimental results， the bending strength， damping property and wear resistance of badminton racket stick were analyzed and studied. The results show that when the aluminum alloy base material of the badminton racket shaft is heat treated， the bipolar solvent and the bipolar aging corresponding heat treatment process parameters should be used for processing， which can effectively improve the bending strength， damping property and wear resistance of badminton racket stick.

Key words：aluminum alloy matrix composites; badminton racket stick; heat treatment processing; comprehensive performance; experimental study.

0 引言

在逐漸流行的羽毛球運動中，羽毛球拍桿性能引起眾多關注。羽毛球拍桿自身綜合性能包括彎曲強度、抗磨損性以及阻尼性。增加羽毛球拍桿彎曲強度，羽毛球拍桿所受干擾度會隨之下降，繼而會使羽毛球拍桿更加堅硬;反之，隨著羽毛球拍桿彎曲強度降低，羽毛球拍桿擾動度增加，使得羽毛球拍桿較為柔軟。羽毛球拍桿阻尼性能得到改善，會使其能夠具備良好減震性能;反之，羽毛球拍桿減震性能會隨之下降。鈦合金、鋁合金基體復合材料、高彈性纖維碳素是制作羽毛球拍桿的主要原材料。鋁合金基體復合材料因其具備鋁合金基體、增強相特殊性能以及成本空間，使其能在羽毛球拍生產制作中廣泛運用。

目前，關于熱處理加工技藝對羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料性能影響相關報道較少。因此，文章選用四種不同熱處理加工技藝對羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料進行高溫加熱處理;探究熱處理工藝對羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料的彎曲強度、阻尼性能以及抗磨性的影響，旨在完善升級羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料的熱處理加工技藝，提升羽毛球拍桿綜合性能。

1 鋁基復合材料熱處理試驗用料及測試方法

1.1 試驗用料及熱加工處理技藝

首先，選取N2作為霧化氣體，通過噴射成形法準備鋁合金基體復合材料趁沉積板;其次，在1200噸擠壓機上對沉積板進行熱擠壓，同時將擠壓溫度設置為450℃，擠壓比例為10∶1，經過熱擠壓處理過后的棒材直徑為1cm[1]。熱擠壓處理過后的羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料組成樣品如表1所示。熱擠壓羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料樣品熱加工技藝如表2所示。

1.2 鋁基復合材料熱處理試驗方法

彎曲強度試驗：依據固定計算公式能夠得出羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料樣品的彎曲強度，計算公式見式（1）。

在式（1）中：EI表示為抗彎曲剛度;n表示為測試系統質量;f 表示為測試系統固有頻率;q表示為測試系統跨度;π為常數[2]。阻尼性能是實驗：利用“葛式扭擺”法對羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料中阻尼性能展開實驗，在實驗操作中將加熱爐溫度上升速度調至2.0℃/min、實驗溫度設置為30～350℃、實驗測試頻率在0.3～1.0Hz，對試樣進行測量的時間均小于35s。

檢驗磨損性能實驗：在高速高溫摩擦磨損試驗機上完成對羽毛球拍桿鋁合金基體復合材料樣品中的抗磨損性實驗。在實驗過程中，將磨損機的轉動速度調至為300r/min、摩擦時間設定為15min、相對滑動速度為10cm/min、測試溫度調至為正常室內溫度。

2 鋁基復合材料熱處理試驗結果及羽毛球拍桿

性能研究

2.1 羽毛球拍桿彎曲強度

羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料樣品的彎曲剛度依據公式（1）可計算獲得。羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料樣品在不同熱加工處理系統下的彎曲強度試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，在4種各不相同的熱加工處理系統下，樣品的彎曲強度呈現不同狀態[3-4]。當樣品1經過單級溶液與單級時效相對應的熱加工處理參數進行測試時，其彎曲強度最差;當樣品4經過雙級溶液與雙級時效相對應的熱加工處理參數進行測試時，其彎曲強度呈現最佳狀態;兩個樣品在不同熱加工處理參數測試相比之下，后者比前者的彎曲強度增加740GPa·mm4，同比增長13%。基于上述實驗結果能夠得出：雙極溶液與雙極時效同時對羽毛球拍桿進行熱加工處理，會明顯增強其彎曲強度。由此說明：將羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料放在雙極溶液與雙極時效對應參數環境中進行熱加工處理，最終達到羽毛球拍桿具備高抗彎強度的最終目的。

2.2 羽毛球拍桿阻尼性能

羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料在200℃、1.0Hz測試環境中進行樣品阻尼性能測試，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，4種樣品在4種不同熱加工處理機制下其呈現的阻尼性能截然不同[5]。當樣品1經過單級溶液與單級時效相對應的熱加工處理參數進行測試時，其呈現的阻尼性能值最小;當樣品4經過雙級溶液與雙級時效相對應的熱加工處理參數進行測試時，其所呈現的阻尼性能值最大。兩個樣品在不同熱加工處理參數測試相比之下，后者在經過熱加工處理后其阻尼系數增加了7×10-3，同比增大60%。樣品的阻尼性能呈現較好狀態其所對應的阻尼系數會越大，進而使降噪減震效果達到最佳[6]。由上述實驗得出：雙極溶液與雙極時效同時對羽毛球拍桿進行熱加工處理，會明顯增強其阻尼性能。由此說明：將羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料放在雙極溶液與雙極時效對應參數環境中進行熱加工處理，最終達到羽毛球拍桿具備高阻尼性能的最終目的。

2.3 羽毛球拍桿抗磨損性

羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料樣品在不同熱加工處理系統下的抗磨損性試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，4種樣品在4種不同熱加工處理機制下其呈現的抗磨性截然不同。當樣品1經過單級溶液與單級時效相對應的熱加工處理參數進行測試時，其磨損體積較大，呈現抗磨損性能較差;當樣品4經過雙級溶液與雙級時效相對應的熱加工處理參數進行測試時，其磨損體積較小，呈現抗磨損性能較好。兩個樣品在不同熱加工處理參數測試相比之下，后者在經過熱加工處理后其磨損體體積減少了27×10-3，同比縮小54%[7]。由上述實驗得出：雙極溶液與雙極時效同時對羽毛球拍桿進行熱加工處理，會明顯增加其抗磨損性能。在實驗測試過程中，選用樣品被磨損體積越大，其抗磨損性能則相對較差;反之，選用樣品被磨損體積越小，其抗磨損性能則相對較好。由此說明：將羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料放在雙極溶液與雙極時效對應參數環境中進行熱加工處理，最終達到提升羽毛球拍桿抗磨損性能的最終目的。

2.4 試驗討論與綜合性能分析

固溶體是指將物料通過高溫加熱處理后放入高溫相區在一定時間內完成恒溫加工，使物料內部的過量相完全溶解于固溶體中，然后迅速冷卻，最終獲得過飽和固溶體;時效是指將材料放在固定溫度環境中進行恒溫加工，從而使過度飽和溶液與第二相重新沉淀釋放。當材料為兩階段固溶體時，第一階段在變形能量儲存推動下，進行低溫固溶處理，其主要目的是恢復與二次結晶的過程。恢復與二次結晶存在相互爭奪的競爭關系。二次結晶一旦產生，將不會出現恢復過程;恢復程度與二次結晶難度存在緊密關系[8]。在第一階段低溫固溶加工過程中，第一個發生溶解現象的是低熔點的共晶結構，同時將會使余留相的共晶溫度升高;在進行第二階段的高溫固溶加工過程中，能夠有效避免單級固溶產生的高溫問題，從而加快粗共晶相在材料中的溶解速度、更不會發生過度燃燒現象，一定程度上提升樣品固溶率。

所以，單級溶液熱加工參數與雙極溶液熱加工參數相比，雙極溶液熱加工能夠有效優化羽毛球拍杠鋁合金基體復合材料的內部構造，更易提升羽毛球拍桿的彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性能。羽毛球拍桿鋁合金基體材料在進行時效加工處理時，第一及時效與單級時效相比，前者更能夠在材料基體中進行充分飽作用，能夠在第二時效中能夠形成大量材料形狀核心，使材料沉淀后尺寸變小、分散度更高，使得鋁合金基體復合材料經過雙效時效加工處理后其彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性明顯上升[9-10]。經過反復試驗測試證明：羽毛球拍桿鋁合金基體材料熱處理時，應選用雙極溶劑以及雙極時效對應熱處理工藝參數進行加工，其能有效提升羽毛球拍桿彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性。

3 結語

（1）單級溶液熱加工參數與雙極溶液熱加工參數相比，羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料放在后者加工參數環境中，更易提升羽毛球拍桿的彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性能。

（2）單級時效熱加工參數與雙極時效熱加工參數相比，羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料放在后者加工參數環境中，更易提升羽毛球拍桿的彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性能。

（3）為有效提升羽毛球拍桿的彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性能，在選擇對羽毛球拍桿的鋁合金基體復合材料進行熱加工處理中優先選擇雙極溶液與雙極時效所對對應的熱加工處理參數環境。其能夠有效提升羽毛球拍桿的彎曲強度、阻尼性能以及抗磨損性能。

參考文獻

[1]楊磊.體育器材用CNT/2024Al復合材料的制備及性能研究[J].合成材料老化與應用，2020，49（04）：124-126.

[2]聶濤.熱處理工藝對羽毛球拍桿鋁基復合材料性能的影響[J].熱加工工藝，2017，46（14）：138-141.

[3]孟明艾. 原位Al_2O_3顆粒增強ZL109合金基復合材料的制備及性能研究[D].鎮江：江蘇大學，2017.

[4]高健，劉奮成，劉豐剛，等.WC-Ni-Co硬質合金表面激光熔凝修復組織與摩擦磨損性能[J/OL].表面技術：1-20[2020-12-24].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083.TG.20201223.1107.006.html.

[5]宋亞虎，王愛琴，王震，等.雙尺度SiCp/A356復合材料的熱變形行為及本構模型[J].材料熱處理學報，2020，41（12）：135-145.

[6]惠磊.羽毛球拍桿用鋁基復合材料的力學性能研究[J].合成材料老化與應用，2019，48（05）：79-82.

[7]馮志博，張繼川，張天鑫，等.杜仲橡膠的研究現狀與發展前景[J].橡膠工業，2017，64（10）：630-635.

[8]李英達，宋宇驊，宋佩維.固溶處理對新型Mg-4Al-2Si合金羽毛球拍力學性能的影響[J].鑄造技術，2016，37（09）：1855-1857.

[9]陳興幸，張輝，強西懷，等.關于天然皮革用作羽毛球拍外柄皮的可行性探討[J].西部皮革，2016，38（07）：42-44+57.

[10]婁淑梅，張蘋蘋，冉令偉，等.石墨烯增強鋁基復合材料制備工藝對比與分析[J/OL].熱加工工藝，2021（08）：51-54+58[2020-12-24].https：//doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20202307.