復(fù)合纖維高性能材料對網(wǎng)球運(yùn)動影響分析-以碳纖維球拍為例,高分子材料論文

復(fù)合纖維高性能材料對網(wǎng)球運(yùn)動影響分析——以碳纖維球拍為例,高分子材料論文本篇論文目錄導(dǎo)航：【】【】復(fù)合纖維高性能材料對網(wǎng)球運(yùn)動影響分析——以碳纖維球拍為例【】【】碳纖維復(fù)合材料論文：復(fù)合纖維高性能材料對網(wǎng)球運(yùn)動影響分析——以碳纖維球拍為例內(nèi)容摘要：當(dāng)代材料及其加工工藝的飛速發(fā)展，是自行車、滑板、球拍、球桿等體育運(yùn)動裝備性能提升的根本。文章以網(wǎng)球運(yùn)動為例，對新型高性能纖維材料對網(wǎng)球運(yùn)動等的影響進(jìn)行分析，著重討論了復(fù)合纖維高性能材料網(wǎng)球拍的選材、工藝等。文章對網(wǎng)球運(yùn)動領(lǐng)域應(yīng)用新型纖維材料性能優(yōu)勢進(jìn)行總結(jié)，旨在為當(dāng)代運(yùn)動領(lǐng)域裝備、器材的發(fā)展與材料應(yīng)用提供經(jīng)歷體驗借鑒。本文關(guān)鍵詞語:碳纖維復(fù)合材料;網(wǎng)球;球拍設(shè)計;工藝分析;Abstract：Therapiddevelopmentofmodernmaterialsandtheirprocessingtechnologyisthefundamentalimprovementoftheperformanceofsportsequipmentsuchasbicycles,skateboards,racketsandclubs.Takingtennissportasanexample,thispaperanalyzestheinfluenceofnewhighperformancefibermaterialontennissport,andemphaticallydiscussesthematerialselectionandtechnologyofcompositefiberhighperformancematerialtennisracket.Thispapersummarizestheperformanceadvantagesofnewfibermaterialsappliedintennissportsfield,aimingtoprovideexperienceforthedevelopmentofequipmentinmodernsportsfieldandmaterialapplication.網(wǎng)球運(yùn)動是較早接觸高性能纖維復(fù)合材料的體育競技品類之一。1953年英國鄧祿普公司初次嘗試將硫化纖維加強(qiáng)片應(yīng)用于網(wǎng)球球拍的肩部位置，是網(wǎng)球球拍加工領(lǐng)域?qū)?fù)合材料使用的初次探尋求索；1969年美國某公司開場嘗試?yán)貌ＡЮw維作為球拍的拍框、拍柄等的主要使用材料；1975年，第一支完全由玻璃纖維復(fù)合材料加工制備而成的網(wǎng)球球拍問世，該球拍機(jī)械強(qiáng)度高于木材、阻尼性能比金屬拍好；20世紀(jì)80年代后期，碳纖維復(fù)合材料開場逐步應(yīng)用于網(wǎng)球球拍加工領(lǐng)域，隨著其與金屬鈦材料的結(jié)合，碳纖維復(fù)合材料逐步成為高端網(wǎng)球拍制備領(lǐng)域的最優(yōu)選擇[1]。本文以碳纖維、芳綸纖維等新型高性能纖維材料為例，對材料在網(wǎng)球運(yùn)動中的應(yīng)用、性能優(yōu)勢等進(jìn)行綜述，旨在為網(wǎng)球運(yùn)動與新型材料加工制備工藝、方向等提供借鑒。1新型高性能纖維材料分類新型高性能纖維及復(fù)合材料通常指的是某類具備特殊物化構(gòu)造、性能遠(yuǎn)超一般材料以及具備多用處等優(yōu)勢的纖維材料及其與樹脂進(jìn)行加工所得的復(fù)合材料[2]。新型高性能纖維及復(fù)合材料通常在斷裂伸長率、耐腐蝕性、材料成型強(qiáng)度等方面具有顯著優(yōu)勢，同時又兼具質(zhì)量輕、易加工成型等特點，被廣泛應(yīng)用于國防、民用等多種領(lǐng)域。高性能纖維材料基本分類情況如此圖1所示。本文著重針對當(dāng)下網(wǎng)球領(lǐng)域應(yīng)用較多、發(fā)展?jié)摿^大的新型高性能纖維材料進(jìn)行分析。圖1高性能纖維材料基本分類2高性能纖維材料網(wǎng)球領(lǐng)域性能優(yōu)勢2.1碳纖維碳纖維材料是一種在2000～3000℃高溫環(huán)境下對部分有機(jī)纖維進(jìn)行碳化反響，最終在惰性氣體環(huán)境下實現(xiàn)基體碳化而構(gòu)成的纖維狀材料[3]。一般碳纖維材料無法直接應(yīng)用于某些領(lǐng)域，通常均需要進(jìn)行復(fù)合加工后才能使用。碳纖維復(fù)合材料則是以碳纖維為加強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹脂、金屬、陶瓷等為基體，通過兩種材料進(jìn)行加工得到的復(fù)合材料。華而不實，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、易成型、耐久性強(qiáng)等優(yōu)勢，在體育運(yùn)動等領(lǐng)域得到廣泛使用。網(wǎng)球運(yùn)動應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料多集中在網(wǎng)球拍制備、網(wǎng)球鞋碳板等領(lǐng)域。華而不實，碳纖維網(wǎng)球拍是當(dāng)下所有種類網(wǎng)球拍中性能最為優(yōu)異的一種。2.2芳綸纖維芳綸纖維誕生于20世紀(jì)60年代，是一種芳香族聚酰胺纖維。芳綸纖維最早屬于冷戰(zhàn)軍備競爭經(jīng)過中的重要航天材料和戰(zhàn)略物資，之后芳綸逐步用于民生領(lǐng)域，延伸出多種不同性能和種類的芳綸纖維，如對位芳綸、間位芳綸、含甲基取代基等間位共聚芳綸以及對位共聚芳綸等[4]。華而不實，間位芳綸纖維及其復(fù)合材料屬于新型高性能復(fù)合纖維材料領(lǐng)域中最耐高溫的材料之一，能夠保持200℃左右仍不出現(xiàn)老化；對位芳綸纖維及其復(fù)合材料則屬于高模量、高強(qiáng)度材料，具有遠(yuǎn)高于一般纖維材料的比強(qiáng)度、比模量等，對位芳綸纖維及其復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度是同截面玻璃纖維和高強(qiáng)尼龍工業(yè)絲的2～3倍。芳綸材料在網(wǎng)球領(lǐng)域的應(yīng)用多集中在運(yùn)動防護(hù)裝備、運(yùn)動鞋底加工、網(wǎng)球拍穿線以及與碳纖維復(fù)合加工球拍等領(lǐng)域。2.3高性能聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維又稱高性能聚乙烯纖維、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，是一種由分子量最高可達(dá)500萬的聚乙烯所紡出的纖維，是當(dāng)下高性能纖維領(lǐng)域比強(qiáng)度和比模量最高的纖維種類之一[5]。高性能聚乙烯纖維具備的性能優(yōu)勢主要包括：(1)高比強(qiáng)度、高比模量，其比強(qiáng)度〔2.8～4N/tex〕是同等截面鋼絲的10倍，比模量〔91～140N/tex〕僅次于特級碳纖維。(2)纖維密度較低，約為0.97～0.98g/cm3，遠(yuǎn)低于一般金屬材料且可浮于水面。(3)斷裂伸長率高，能夠具備較高的抗外力沖擊能力和抗切割性能。高性能聚乙烯纖維工藝復(fù)雜、價格較高，當(dāng)下在網(wǎng)球領(lǐng)域的應(yīng)用多集中在網(wǎng)球拍、防護(hù)用具等領(lǐng)域。2.4聚醚醚酮纖維聚醚醚酮纖維又稱PEEK纖維，是一種由聚醚醚酮樹脂在高溫熔融狀態(tài)下，通過紡絲制得的一種全芳香族纖維。由于聚醚醚酮纖維中兼具醚鍵和酮鍵，因此材料具備了優(yōu)異的耐高溫、耐摩擦、耐化學(xué)腐蝕等性能，其UL溫度指數(shù)最高可達(dá)250℃，通過纖維加強(qiáng)后的聚醚醚酮纖維材料強(qiáng)度最高可達(dá)210MPa。同時聚醚醚酮纖維材料還具備優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、模量、伸長率等。利用聚醚醚酮纖維加工而成的網(wǎng)球拍線具有超耐磨、高彈性等優(yōu)勢。2.5粘膠纖維粘膠纖維是粘纖的全稱，是一種以植物中提取的植物纖維素為原材料，通過材料的堿化重塑纖維分子再與二硫化碳進(jìn)行反響后溶解于稀堿液得到的一種粘膠纖維[6]。體育領(lǐng)域最廣為人知的粘膠纖維是美德兩國廠家共同開發(fā)的outlast纖維，該纖維也被成為“智能空調(diào)〞纖維。網(wǎng)球運(yùn)動利用outlast纖維最多的領(lǐng)域集中在網(wǎng)球球服制造環(huán)節(jié)。利用outlast纖維制備的網(wǎng)球服，能夠為運(yùn)發(fā)動提供上萬個具備能量轉(zhuǎn)換功能的相變材料模塊，在運(yùn)發(fā)動大量出汗?fàn)顟B(tài)下，衣物中的outlast纖維能夠通過不斷地吸收和釋放能量來調(diào)節(jié)溫度，進(jìn)而到達(dá)減少運(yùn)發(fā)動過熱、流汗現(xiàn)象的目的。3復(fù)合纖維高性能材料對網(wǎng)球運(yùn)動影響分析——以碳纖維球拍為例3.1功能與構(gòu)造影響網(wǎng)球運(yùn)動的普及以及運(yùn)動水平的普遍提升，使專業(yè)及業(yè)余領(lǐng)域網(wǎng)球運(yùn)動介入人員對球拍性能的要求越來越高。在職業(yè)網(wǎng)球領(lǐng)域進(jìn)行球拍設(shè)計時，必須充分考慮職業(yè)選手對球拍“甜區(qū)〞的需求，男子網(wǎng)球選手超高的氣力、超高的操控性能要求，女子職業(yè)網(wǎng)球選手更舒適的擊球感覺、更輕便的質(zhì)量需求等；網(wǎng)球喜好者領(lǐng)域則多需要考量球拍的抗扭穩(wěn)定性、價格、耐用性等。復(fù)合材料的出現(xiàn)和性能優(yōu)化，為網(wǎng)球球拍的功能設(shè)計提供了豐富的可選擇性。碳纖維、芳綸等復(fù)合材料具備優(yōu)異的加工工藝、較低的密度、極高的比強(qiáng)度比模量等，能夠利用復(fù)合材料加工制備出構(gòu)造愈加復(fù)雜、單位體積重量更輕、阻尼性能更強(qiáng)、擊球手感更好的網(wǎng)球拍。這是傳統(tǒng)木質(zhì)材料或金屬材料無法比較的優(yōu)勢[7]。因而，隨著復(fù)合材料在網(wǎng)球球拍領(lǐng)域應(yīng)用逐步成熟，復(fù)合球拍的硬度、強(qiáng)度逐步提高，由此帶動了球拍拍弦的磅數(shù)的提升，當(dāng)下很多職業(yè)網(wǎng)球運(yùn)發(fā)動已經(jīng)將球拍拍弦磅數(shù)增加到了70磅左右，擊球球速得到了極大提升。在2018年克羅地亞與德國隊的戴維斯杯一場雙打比賽中，卡洛維奇在第四盤的一記發(fā)球到達(dá)251km/h，打破了美國人安迪·羅迪克249km/h的前紀(jì)錄。從構(gòu)造角度分析，碳纖維等材料的易加工成型性能也能夠幫助設(shè)計師實現(xiàn)更多復(fù)雜的球拍構(gòu)造，更好地提升球拍外觀多樣性[8]。以碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)球球拍為例。碳纖維網(wǎng)球球拍加工工藝的首個流程是制作網(wǎng)球球拍專用碳纖維預(yù)浸布。該專用碳纖維預(yù)浸布通常根據(jù)不同的產(chǎn)品型號和生產(chǎn)成本規(guī)劃碳纖維與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量占比。通常性能較好的碳纖維網(wǎng)球球拍碳纖維含量應(yīng)超過60%，環(huán)氧樹脂含量應(yīng)不高于40%。但不管何種比例的碳纖維預(yù)浸布，在進(jìn)行半硬化加工時，均能夠通過模具進(jìn)行模壓成型，然后根據(jù)實際的球拍尺寸、設(shè)計需求進(jìn)行裁剪后排迭。從球拍材料制備和定型角度分析均更為靈敏，只要模具設(shè)計合理，理論上能夠能夠生產(chǎn)制備各種外觀和構(gòu)造的網(wǎng)球球拍。網(wǎng)球球拍的拍喉是最能具體表現(xiàn)出復(fù)合材料這一優(yōu)勢的區(qū)域，如此圖2所示為某幾種不同品牌/型號碳纖維網(wǎng)球球拍拍喉比照示意圖。這種靈敏的構(gòu)造設(shè)計在木質(zhì)材料中絕對無法實現(xiàn)，即使金屬材料其實現(xiàn)成本與加工難度也較高。圖2不同品牌/型號碳纖維網(wǎng)球球拍拍喉比照3.2制備工藝影響復(fù)合材料良好的可加工性能，使碳纖維網(wǎng)球球拍的加工成型工藝得到了較大的擴(kuò)大,結(jié)合碳纖維復(fù)合材料不同的成型工藝〔圖3〕，能夠?qū)⒉煌瑯?gòu)造、不同型號以及不同生產(chǎn)成本的碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)球球拍生產(chǎn)工藝進(jìn)行愈加合理的規(guī)劃和選擇。圖3碳纖維復(fù)合材料不同成型工藝當(dāng)下碳纖維網(wǎng)球拍加工領(lǐng)域利用較多的材料成型工藝為手糊成型工藝以及模壓成型工藝[9]。充分利用模具生產(chǎn)靈敏性，在制備碳纖維網(wǎng)球拍時，根據(jù)不同的產(chǎn)品型號生產(chǎn)對應(yīng)的模具，將復(fù)合材料分別放入半個模具中，在高溫環(huán)境下通過熱處理使兩個模具中的碳纖維材料定型。碳纖維手糊成型工藝能夠?qū)⑻祭w維進(jìn)行不同層數(shù)、不同纖維角度加工。由于碳纖維纖維方向不同，能夠獲得不同力學(xué)強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，因此最終能夠獲得力學(xué)性能、剛性以及彈性等均不同的碳纖維網(wǎng)球球拍。3.3市場與經(jīng)濟(jì)影響碳纖維材料具有顯著的性能優(yōu)勢，能夠大幅提升網(wǎng)球球拍綜合性能。然而需要注意的是，盡管碳纖維材料本身并沒有明顯性能缺陷，但利用碳纖維材料進(jìn)行網(wǎng)球球拍制備經(jīng)過中的加工成型工藝較為復(fù)雜，良品率較低。因此碳纖維網(wǎng)球球拍加工生產(chǎn)效率并不高。而這也是導(dǎo)致碳纖維網(wǎng)球球拍價格居高不下的主要原因之一。同時，盡管利用碳纖維復(fù)合材料加工而成的球拍具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐用性強(qiáng)等優(yōu)點，使碳纖維網(wǎng)球球拍使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般金屬或木質(zhì)球拍。但由此帶來的“一只球拍用十年〞等問題，又反而影響了碳纖維網(wǎng)球球拍的產(chǎn)品銷售，不利于碳纖維網(wǎng)球球拍產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因而，在對市場與經(jīng)濟(jì)的影響方面，碳纖維材料對于網(wǎng)球球拍制造廠商而言是把“雙刃劍〞。4結(jié)束語本文對新型高性能材料在網(wǎng)球運(yùn)動中的應(yīng)用和影響進(jìn)行綜述，具體分析了碳纖維復(fù)合材料對網(wǎng)球球拍功能與構(gòu)造、制備工藝以及市場與經(jīng)濟(jì)等的影響。隨著網(wǎng)球運(yùn)動普及程度的逐步提升，介入者對球拍、球鞋等網(wǎng)球運(yùn)動裝備的性能需求越來越高。本文所作研究旨在為網(wǎng)球運(yùn)動發(fā)展以及網(wǎng)球運(yùn)動設(shè)備加工制備領(lǐng)域提供理論借鑒。以下為參考文獻(xiàn)[1]顧龍盤陳曉鋼,楊紅英,等芳綸及其復(fù)合材料產(chǎn)品在體育器材中的應(yīng)用[J]臺成纖維,202145(7):22-25.[2]沈春萍新型纖維材料及其制品在體育用品中的應(yīng)用[J]合成纖維，2018,40(10):11-14.[3]韓坤霖,侯芳乒乓球拍用碳纖維復(fù)合材料的改性與性能研究[J].臺成材料老化與應(yīng)用2022,48(6):100-103.[4]李春霞,王雙成邱召明.等.對位芳綸在運(yùn)動器材領(lǐng)域的應(yīng)用[J]高科技纖維與應(yīng)用,2020,38(3):57-61.[5]蔣雯三元高分子復(fù)合材料的構(gòu)造與性能[J].