高分子材料论文
摘要：传统材料在应用羽毛球拍制造中，耐磨性差，使用寿命短。为了解决这一问题，阐述了碳纤维复合材料在羽毛球拍制造中的应用，分析了碳纤维编织复合材料的性能优势，通过与传统材料进行对比，阐述了碳纤维编织复合材料的性能特点。探讨了碳纤维编织复合材料在羽毛球拍制造中的应用，紧接通过实验分析，与使用传统材料制作的羽毛球拍进行性能上的对比分析，结果表明，碳纤维编织复合材料所拥有的独特性能能够完美的适应羽毛球拍的制作需要，并且极大的提升了羽毛球拍的质量。
关键词：碳纤维编织复合材料; 羽毛球拍; 复合材料技术; 材料应用;
Application of Carbon Fiber Braided Composite Material Technology in the Manufacture of Badminton Rackets
Yang Lei
Xi'an Medical University
Abstract：Traditional materials have poor wear resistance and short service life in the manufacture of badminton rackets.In order to solve this problem,the application of carbon fiber composite materials in the manufacture of badminton rackets is described.The performance advantages of carbon fiber braided composite materials are analyzed.By comparing with traditional materials,the performance characteristics of carbon fiber braided composite materials are described.The application of carbon fiber braided composite materials in the manufacture of badminton rackets was discussed,followed by experimental analysis,and a comparative analysis of performance with badminton rackets made with traditional materials.The results show that the unique properties of carbon fiber braided composite materials can be perfect meets the production needs of badminton rackets,and greatly improves the quality of badminton rackets.
0 引言
近年来，对于碳纤维材料的使用越来越频繁，碳纤维因为其外柔内刚的特点，被应用于多个领域，碳纤维的质量很轻，但强度远远高于那些被经常使用的材料，例如钢铁等[1]。碳纤维通常以不同形式应用在各个领域中，主要应用在布料、预浸料以及切短纤维产品中。其中，布料产品是通过碳纤维材料的组合编织得到的一种材料；而预浸料产品是利用碳纤维进行组合排列，形成一个具体方向，并切经过树脂浸泡转化为片状材料，切短纤维产品是将片状材料制作为短丝，而将这些材料按照一定的比例混合到一起，便形成了变化无穷的碳纤维编织复合材料[2]。
在体育用品的制作中，所使用的材料大多都为复合材料，因为复合材料具有多种优势，而碳纤维复合材料是复合材料中的佼佼者，使用碳纤维编织复合材料制作成的体育用品能够更加适应极限情况下的使用，因此，本文提出了碳纤维编织复合材料技术在羽毛球拍制造中的应用，通过分析碳纤维编织复合材料相比于传统材料所具有的优势来证明使用碳纤维编织复合材料技术制造的羽毛球拍性能更加优良，进而阐述了使用碳纤维编织复合材料制造羽毛球拍的详细过程，具体分为四个主要流程进行羽毛球拍的制作，最后进行实验分析证明，以此完成本文提出的碳纤维编织复合材料技术在羽毛球拍制造中的应用。
1 碳纤维编织复合材料技术性能分析
1.1 碳纤维编织复合材料的密度分析
在此，本文进行碳纤维编织复合材料的密度相比于普通材料密度的比较分析，查询了钢、铁、铜、铝、钛，5种常用的材料与碳纤维编织复合材料进行对比，结果如表1所示。
表1 碳纤维复合材料与五种常用金属材料密度对比表
由表1可得知，碳纤维编织复合材料在密度上远远低于其他五种常用金属材料，对于羽毛球拍，自然是希望越轻越好，碳纤维编织复合材料便可以很好的完成这一点[3]。
1.2 碳纤维编织复合材料的比强度和比模量分析
在此，本文进行碳纤维编织复合材料的高比强度和高比模量相比于普通材料的高比强度和高比模量的比较分析，本文将碳纤维编织复合材料与杉木，梧桐木，钢材相比较，结果如表2所示。
表2 比模量对比表
由表2可得知，碳纤维编织复合材料的比强度与比模量是杉木的4倍与3倍，是梧桐木的2倍与3倍，钢铁的2.4倍与3.75倍，碳纤维编织材料的高比强度与高比模量可以制造更加轻盈且坚韧的制品，用于羽毛球拍的制作是再合适不过的[4]。
1.3 碳纤维编织复合材料的疲劳强度分析
在此，本文进行碳纤维编织复合材料的疲劳强度相比于钢材和铝材的疲劳强度的比较分析，将碳纤维编织复合材料与钢材和铝材经过百万次循环应力疲劳试验，结果如图1所示。
图1 碳纤维编织材料与钢材/铝材的疲劳强度对比
由图1可得知，碳纤维编织复合材料的结构很稳定，在经过百万次循环疲劳应力实验后，强度仍然达到了80%，而钢材仅为60%，铝材仅为40%，因此，碳纤维编织复合材料的耐疲劳强度很高，用于制作羽毛球拍会使使用寿命大幅度增加[5]。
1.4 碳纤维编织复合材料的热膨胀系数分析
本文对碳纤维编织复合材料的热膨胀系数进行分析，将碳纤维编织复合材料进行热膨胀系数测定实验，结果如图2所示。
图2 碳纤维编织复合材料热膨胀系数
由图2可得知，碳纤维编织复合材料的热膨胀系数非常小，对于羽毛球拍来说，热膨胀系数越小，则羽毛球拍在击打时的准确率越大，因此，碳纤维编织复合材料适合用于羽毛球拍的制造中[6]。
1.5 碳纤维编织复合材料的破损安全性能分析
对碳纤维编织复合材料的破损安全性能进行分析，进行如下实验，对碳纤维编织复合材料进行多次任意角度的破坏，测定其被破坏后纤维是否依旧发挥作用，实验结果表明，即使在被破坏后，除了破坏点位，其余部位的碳纤维仍能发挥其作用，个别碳纤维的断裂并不能导致整体结构受损，此性质在羽毛球拍中尤其重要[7]。
1.6 碳纤维编制复合材料阻尼性能分析
对碳纤维编织复合材料的阻尼性能与钢材、铝材的阻尼性能进行对比，实验结果如表3所示。
表3 碳纤维编织复合材料与钢材、铝材阻尼性能对比
表3是通过多次振动测量热能的方式来计算得到的，由于在碳纤维编织复合材料中的聚合化合物具有粘性，因此在平面上存在裂纹与脱落的地方依旧存在摩擦力。分析可知，碳纤维编织复合材料的阻尼系数比钢材和铝材大[8]。
1.7 碳纤维编织复合材料的设计自由度高
碳纤维编织复合材料的以上特性使得它的设计自由度很高，各向异性的特性使得可以随意改变碳纤维的铺叠方向来增强或抑制某方面的性能，在羽毛球拍的制造中，可以根据使用者的身体情况酌情改变，这是传统金属无法实现的[9]。
2 碳纤维编织复合材料技术在羽毛球拍制造中的应用
在经过对碳纤维编织复合材料的性能分析后，本文将阐述对于在制造羽毛球拍中的具体应用。碳纤维编织复合材料可以通过科学合理的设计直接制作成需要的形状，因此，相比于传统方式制造羽毛球拍，使用碳纤维编织复合材料可以省略大部分的组合型架与装配型架，因此可以降低制作成本，在使用碳纤维编织复合材料制作羽毛球拍时主要分为四个流程：缠绕成型、模压成型、RTM树脂传递模塑、挤压成型。
2.1 缠绕成型
由于碳纤维编织复合材料具有强度高的特性，因此可以使用缠绕技术制作羽毛球拍模型，将预浸料均匀的缠绕在缠绕机的芯模中，等待自然固化，进而去除芯模取出制品，在这一过程中，碳纤维编织材料凭借强度高的优势，因此在生产羽毛球拍制品时可实现制品生产的批量化和机械化，从而有效提升生产效率，并提高生产企业的经济效益。而这种高强度的特征是由于碳纤维编织复合材料能够根据制品的受力情况重新排列碳纤维，从而获取高强度的优质制品[10]。
2.2 模压成型
在模压成型工艺流程中，主要制造羽毛球拍的圆形部位，在封闭的模具腔内，将碳纤维编织复合材料按照模型加入，通过加热与气压固化使碳纤维编织复合材料成型，以此得到复合材料制品，在模压成型流程中使用的模具分为两部分，阴模具与阳模具，模压成型法利用了碳纤维编织复合材料具有的密度小的特点且硬度大，使用此方式生产效率相比传统方法大幅度增强，而且制造出的制品尺寸精准，外表光滑无杂质，且优于碳纤维编织复合材料的特性，不损伤制品的性能，不需要对制作好的制品进行二次加工。对于羽毛球拍的圆形部位，精准度要求极高，稍有偏差便可导致整个拍型歪斜，使用模压成型方式可以很好的解决这一困难。
2.3 RTM树脂传递模型
RTM树脂传递模型是传统制造经常使用的，但传统制造方发在次流程时由于材料的热膨胀系数与破损安全性能差，会损耗大量的原材料，而使用碳纤维编织复合材料变无需考虑这些问题，碳纤维编织复合材料的低热膨胀系数以及高破损安全性使得极大的减少了生产过程中的材料损耗。
RTM树脂传递模型是将制作好的模型组装起来，将制作好的模型铺放到设计好的模型中，将树脂注入模型，等待自然固化，以此完成模型制品，RTM树脂传递模型能够高质量，高精度，低孔隙的完成复杂的材料构建，产品生产效率高，投入低，挥发的有毒气体少，有助于环境保护，对于增强增厚的部件效果很好。
2.4 挤拉成型
挤拉成型技术是将经过RTM树脂传递模型组合好的制品进行最后的调整，在碳纤维束的外力牵引下，经过浸胶与挤压成型，最后加热固化，然后进行切割，最后得到完美的羽毛球拍，挤拉成型技术利用了碳纤维编织复合材料柔韧性强的特点，将经过浸渍的碳纤维编织复合材料通过成型模具，在模具腔内灌入凝胶，固化后加热，成型工艺简单，生产效率高。
3 实验分析
3.1 实验目的
为了证明使用碳纤维编织复合材料制造的羽毛球拍的性能优于使用传统材料制造的羽毛球拍，本文设计以下实验证明。
3.2 实验设定
本文选取了使用碳纤维编织复合材料制造的羽毛球拍以及使用钢材制造的羽毛球拍与使用铝材制造的羽毛球拍，对其进行性能分析实验，通过测定以上3个羽毛球拍的比强度、比模量、疲劳强度、热膨胀系数、破损安全性能以及阻尼系数，来完成实验。实验选取的3个羽毛球拍在型号上以及其他因素完全一致。
3.3 实验结果
表4 3种羽毛球拍性能对比
3.4 结果分析
由表4可得知，使用碳纤维编织复合材料制作的羽毛球拍，在比强度、比模量、疲劳强度、热膨胀系数、破损安全性能以及阻尼系数的分析实验中，所得数据都远远优于使用钢材制造的羽毛球拍与使用铝材制造的羽毛球拍，这些性能上的优势是因为碳纤维编织复合材料所特有的优良属性。因此，使用碳纤维编织复合材料制造的羽毛球拍在整体属性上远远优于使用传统材料制造的羽毛球拍。
4 结语
为提升羽毛球拍的耐磨性及使用寿命，文章针对碳纤维编织复合材料技术在羽毛球拍中的应用进行分析，深入研究了碳纤维编织复合材料的各种性能，探讨了在羽毛球拍中的应用效果。通过本文分析可知，碳纤维编织复合材料的应用，不仅能够有效提升体育用具的使用寿命，还能够保障体育用品应用的安全性。通过上述内容的研究对于体育器材制作有一定的促进意义，同时以期对体育用品材料分析提供一些可行依据。
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