碳纤维复合材料论文第三篇：复合纤维高性能材料对网球运动影响分析——以碳纤维球拍为例
摘要：现代材料及其加工工艺的飞速发展，是自行车、滑板、球拍、球杆等体育运动装备性能提升的根本。文章以网球运动为例，对新型高性能纤维材料对网球运动等的影响进行分析，着重探讨了复合纤维高性能材料网球拍的选材、工艺等。文章对网球运动领域应用新型纤维材料性能优势进行总结，旨在为现代运动领域装备、器材的发展与材料应用提供经验借鉴。
关键词:碳纤维复合材料;网球;球拍设计;工艺分析;
Abstract：The rapid development of modern materials and their processing technology is the fundamental improvement of the performance of sports equipment such as bicycles,skateboards,rackets and clubs.Taking tennis sport as an example,this paper analyzes the influence of new high performance fiber material on tennis sport,and emphatically discusses the material selection and technology of composite fiber high performance material tennis racket.This paper summarizes the performance advantages of new fiber materials applied in tennis sports field,aiming to provide experience for the development of equipment in modern sports field and material application.
网球运动是较早接触高性能纤维复合材料的体育竞技品类之一。1953年英国邓禄普公司首次尝试将硫化纤维加强片应用于网球球拍的肩部位置，是网球球拍加工领域对复合材料使用的首次探索；1969年美国某公司开始尝试利用玻璃纤维作为球拍的拍框、拍柄等的主要使用材料；1975年，第一支完全由玻璃纤维复合材料加工制备而成的网球球拍问世，该球拍机械强度高于木材、阻尼性能比金属拍好；20世纪80年代后期，碳纤维复合材料开始逐渐应用于网球球拍加工领域，随着其与金属钛材料的结合，碳纤维复合材料逐渐成为高端网球拍制备领域的最优选择[1]。本文以碳纤维、芳纶纤维等新型高性能纤维材料为例，对材料在网球运动中的应用、性能优势等进行综述，旨在为网球运动与新型材料加工制备工艺、方向等提供借鉴。
1 新型高性能纤维材料分类
新型高性能纤维及复合材料通常指的是某类具备特殊物化结构、性能远超一般材料以及具备多用途等优势的纤维材料及其与树脂进行加工所得的复合材料[2]。新型高性能纤维及复合材料通常在断裂伸长率、耐腐蚀性、材料成型强度等方面具有显着优势，同时又兼具质量轻、易加工成型等特点，被广泛应用于国防、民用等多种领域。高性能纤维材料基本分类情况如图1所示。本文着重针对当前网球领域应用较多、发展潜力较大的新型高性能纤维材料进行分析。
图1 高性能纤维材料基本分类
2 高性能纤维材料网球领域性能优势
2.1 碳纤维
碳纤维材料是一种在2000～3000℃高温环境下对部分有机纤维进行碳化反应，最终在惰性气体环境下实现基体碳化而形成的纤维状材料[3]。一般碳纤维材料无法直接应用于某些领域，通常均需要进行复合加工后才能使用。碳纤维复合材料则是以碳纤维为增强材料，以环氧树脂、金属、陶瓷等为基体，通过两种材料进行加工得到的复合材料。其中，碳纤维环氧树脂复合材料具有质量轻、易成型、耐久性强等优势，在体育运动等领域得到广泛使用。网球运动应用碳纤维复合材料多集中在网球拍制备、网球鞋碳板等领域。其中，碳纤维网球拍是当前所有种类网球拍中性能最为优异的一种。
2.2 芳纶纤维
芳纶纤维诞生于20世纪60年代，是一种芳香族聚酰胺纤维。芳纶纤维最早属于冷战军备竞争过程中的重要航天材料和战略物资，之后芳纶逐渐用于民生领域，延伸出多种不同性能和种类的芳纶纤维，如对位芳纶、间位芳纶、含甲基取代基等间位共聚芳纶以及对位共聚芳纶等[4]。其中，间位芳纶纤维及其复合材料属于新型高性能复合纤维材料领域中最耐高温的材料之一，能够保持200℃左右仍不出现老化；对位芳纶纤维及其复合材料则属于高模量、高强度材料，具有远高于一般纤维材料的比强度、比模量等，对位芳纶纤维及其复合材料拉伸强度是同截面玻璃纤维和高强尼龙工业丝的2～3倍。芳纶材料在网球领域的应用多集中在运动防护装备、运动鞋底加工、网球拍穿线以及与碳纤维复合加工球拍等领域。
2.3 高性能聚乙烯纤维
超高分子量聚乙烯纤维又称高性能聚乙烯纤维、高强高模聚乙烯纤维，是一种由分子量最高可达500万的聚乙烯所纺出的纤维，是当前高性能纤维领域比强度和比模量最高的纤维种类之一[5]。高性能聚乙烯纤维具备的性能优势主要包括：(1)高比强度、高比模量，其比强度（2.8～4 N/tex）是同等截面钢丝的10倍，比模量（91～140 N/tex）仅次于特级碳纤维。(2)纤维密度较低，约为0.97～0.98g/cm3，远低于一般金属材料且可浮于水面。(3)断裂伸长率高，能够具备较高的抗外力冲击能力和抗切割性能。高性能聚乙烯纤维工艺复杂、价格较高，当前在网球领域的应用多集中在网球拍、防护用具等领域。
2.4 聚醚醚酮纤维
聚醚醚酮纤维又称PEEK纤维，是一种由聚醚醚酮树脂在高温熔融状态下，通过纺丝制得的一种全芳香族纤维。由于聚醚醚酮纤维中兼具醚键和酮键，因而材料具备了优异的耐高温、耐摩擦、耐化学腐蚀等性能，其UL温度指数最高可达250℃，通过纤维增强后的聚醚醚酮纤维材料强度最高可达210MPa。同时聚醚醚酮纤维材料还具备优良的拉伸强度、模量、伸长率等。利用聚醚醚酮纤维加工而成的网球拍线具有超耐磨、高弹性等优势。
2.5 粘胶纤维
粘胶纤维是粘纤的全称，是一种以植物中提取的植物纤维素为原材料，通过材料的碱化重塑纤维分子再与二硫化碳进行反应后溶解于稀碱液得到的一种粘胶纤维[6]。体育领域最广为人知的粘胶纤维是美德两国厂家共同开发的outlast纤维，该纤维也被成为“智能空调”纤维。网球运动利用outlast纤维最多的领域集中在网球球服制造环节。利用outlast纤维制备的网球服，能够为运动员提供上万个具备能量转换功能的相变材料模块，在运动员大量出汗状态下，衣物中的outlast纤维能够通过不断地吸收和释放能量来调节温度，进而达到减少运动员过热、流汗现象的目的。
3 复合纤维高性能材料对网球运动影响分析——以碳纤维球拍为例
3.1 功能与结构影响
网球运动的普及以及运动水平的普遍提升，使专业及业余领域网球运动参与人员对球拍性能的要求越来越高。在职业网球领域进行球拍设计时，必须充分考虑职业选手对球拍“甜区”的需求，男子网球选手超高的力量、超高的操控性能要求，女子职业网球选手更舒适的击球感觉、更轻便的质量需求等；网球爱好者领域则多需要考量球拍的抗扭稳定性、价格、耐用性等。复合材料的出现和性能优化，为网球球拍的功能设计提供了丰富的可选择性。碳纤维、芳纶等复合材料具备优异的加工工艺、较低的密度、极高的比强度比模量等，可以利用复合材料加工制备出结构更加复杂、单位体积重量更轻、阻尼性能更强、击球手感更好的网球拍。这是传统木质材料或金属材料无法比拟的优势[7]。因此，随着复合材料在网球球拍领域应用逐渐成熟，复合球拍的硬度、强度逐渐提高，由此带动了球拍拍弦的磅数的提升，当前很多职业网球运动员已经将球拍拍弦磅数增加到了70磅左右，击球球速得到了极大提升。在2011年克罗地亚与德国队的戴维斯杯一场双打比赛中，卡洛维奇在第四盘的一记发球达到251km/h，打破了美国人安迪·罗迪克249km/h的前纪录。
从结构角度分析，碳纤维等材料的易加工成型性能也能够帮助设计师实现更多复杂的球拍结构，更好地提升球拍外观多样性[8]。以碳纤维复合材料网球球拍为例。碳纤维网球球拍加工工艺的首个流程是制作网球球拍专用碳纤维预浸布。该专用碳纤维预浸布通常根据不同的产品型号和生产成本规划碳纤维与环氧树脂的质量占比。通常性能较好的碳纤维网球球拍碳纤维含量应超过60%，环氧树脂含量应不高于40%。但不论何种比例的碳纤维预浸布，在进行半硬化加工时，均可以通过模具进行模压成型，然后按照实际的球拍尺寸、设计需求进行裁剪后排迭。从球拍材料制备和定型角度分析均更为灵活，只要模具设计合理，理论上能够能够生产制备各种外观和构造的网球球拍。网球球拍的拍喉是最能体现复合材料这一优势的区域，如图2所示为某几种不同品牌/型号碳纤维网球球拍拍喉对比示意图。这种灵活的结构设计在木质材料中绝对无法实现，即便金属材料其实现成本与加工难度也较高。
图2 不同品牌/型号碳纤维网球球拍拍喉对比
3.2 制备工艺影响
复合材料良好的可加工性能，使碳纤维网球球拍的加工成型工艺得到了较大的扩充,结合碳纤维复合材料不同的成型工艺（图3），能够将不同结构、不同型号以及不同生产成本的碳纤维复合材料网球球拍生产工艺进行更加合理的规划和选择。
图3 碳纤维复合材料不同成型工艺
当前碳纤维网球拍加工领域利用较多的材料成型工艺为手糊成型工艺以及模压成型工艺[9]。充分利用模具生产灵活性，在制备碳纤维网球拍时，根据不同的产品型号生产对应的模具，将复合材料分别放入半个模具中，在高温环境下通过热处理使两个模具中的碳纤维材料定型。碳纤维手糊成型工艺能够将碳纤维进行不同层数、不同纤维角度加工。由于碳纤维纤维方向不同，能够获得不同力学强度碳纤维复合材料，因而最终能够获得力学性能、刚性以及弹性等均不同的碳纤维网球球拍。
3.3 市场与经济影响
碳纤维材料具有显着的性能优势，能够大幅提升网球球拍综合性能。然而需要注意的是，尽管碳纤维材料本身并没有明显性能缺陷，但利用碳纤维材料进行网球球拍制备过程中的加工成型工艺较为复杂，良品率较低。因而碳纤维网球球拍加工生产效率并不高。而这也是导致碳纤维网球球拍价格居高不下的主要原因之一。同时，尽管利用碳纤维复合材料加工而成的球拍具有质轻、强度高、耐用性强等优点，使碳纤维网球球拍使用寿命远远超过一般金属或木质球拍。但由此带来的“一只球拍用十年”等问题，又反而影响了碳纤维网球球拍的产品销售，不利于碳纤维网球球拍产业的发展。因此，在对市场与经济的影响方面，碳纤维材料对于网球球拍制造厂商而言是把“双刃剑”。
4 结语
本文对新型高性能材料在网球运动中的应用和影响进行综述，详细分析了碳纤维复合材料对网球球拍功能与结构、制备工艺以及市场与经济等的影响。随着网球运动普及程度的逐渐提升，参与者对球拍、球鞋等网球运动装备的性能需求越来越高。本文所作研究旨在为网球运动发展以及网球运动设备加工制备领域提供理论借鉴。
参考文献
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