碳纖維編織復合材料技術在羽毛球拍制造中的應用

楊磊

摘要：傳統(tǒng)材料在應用羽毛球拍制造中，耐磨性差，使用壽命短。為了解決這一問題，闡述了碳纖維復合材料在羽毛球拍制造中的應用，分析了碳纖維編織復合材料的性能優(yōu)勢，通過與傳統(tǒng)材料進行對比，闡述了碳纖維編織復合材料的性能特點。探討了碳纖維編織復合材料在羽毛球拍制造中的應用，緊接通過實驗分析，與使用傳統(tǒng)材料制作的羽毛球拍進行性能上的對比分析，結果表明，碳纖維編織復合材料所擁有的獨特性能能夠完美的適應羽毛球拍的制作需要，并且極大的提升了羽毛球拍的質量。

關鍵詞：碳纖維編織復合材料;羽毛球拍;復合材料技術;材料應用

中圖分類號：TQ327.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0063-04

0引言

近年來，對于碳纖維材料的使用越來越頻繁，碳纖維因為其外柔內剛的特點，被應用于多個領域，碳纖維的質量很輕，但強度遠遠高于那些被經常使用的材料，例如鋼鐵等。碳纖維通常以不同形式應用在各個領域中，主要應用在布料、預浸料以及切短纖維產品中。其中，布料產品是通過碳纖維材料的組合編織得到的一種材料;而預浸料產品是利用碳纖維進行組合排列，形成一個具體方向，并切經過樹脂浸泡轉化為片狀材料，切短纖維產品是將片狀材料制作為短絲，而將這些材料按照一定的比例混合到一起，便形成了變化無窮的碳纖維編織復合材料嘲。

在體育用品的制作中，所使用的材料大多都為復合材料，因為復合材料具有多種優(yōu)勢，而碳纖維復合材料是復合材料中的佼佼者，使用碳纖維編織復合材料制作成的體育用品能夠更加適應極限情況下的使用，因此，本文提出了碳纖維編織復合材料技術在羽毛球拍制造中的應用，通過分析碳纖維編織復合材料相比于傳統(tǒng)材料所具有的優(yōu)勢來證明使用碳纖維編織復合材料技術制造的羽毛球拍性能更加優(yōu)良，進而闡述了使用碳纖維編織復合材料制造羽毛球拍的詳細過程，具體分為四個主要流程進行羽毛球拍的制作，最后進行實驗分析證明，以此完成本文提出的碳纖維編織復合材料技術在羽毛球拍制造中的應用。

1碳纖維編織復合材料技術性能分析

1.1碳纖維編織復合材料的密度分析

在此，本文進行碳纖維編織復合材料的密度相比于普通材料密度的比較分析，查詢了鋼、鐵、銅、鋁、鈦，5種常用的材料與碳纖維編織復合材料進行對比，結果如表1所示。

由表1可得知，碳纖維編織復合材料在密度上遠遠低于其他五種常用金屬材料，對于羽毛球拍，自然是希望越輕越好，碳纖維編織復合材料便可以很好的完成這一點。

1.2碳纖維編織復合材料的比強度和比模量分析

在此，本文進行碳纖維編織復合材料的高比強度和高比模量相比于普通材料的高比強度和高比模量的比較分析，本文將碳纖維編織復合材料與杉木，梧桐木，鋼材相比較，結果如表2所示。

由表2可得知，碳纖維編織復合材料的比強度與比模量是杉木的4倍與3倍，是梧桐木的2倍與3倍，鋼鐵的2.4倍與3.75倍，碳纖維編織材料的高比強度與高比模量可以制造更加輕盈且堅韌的制品，用于羽毛球拍的制作是再合適不過的。

1.3碳纖維編織復合材料的疲勞強度分析

在此，本文進行碳纖維編織復合材料的疲勞強度相比于鋼材和鋁材的疲勞強度的比較分析，將碳纖維編織復合材料與鋼材和鋁材經過百萬次循環(huán)應力疲勞試驗，結果如圖1所示。

由圖1可得知，碳纖維編織復合材料的結構很穩(wěn)定，在經過百萬次循環(huán)疲勞應力實驗后，強度仍然達到了80%，而鋼材僅為60%，鋁材僅為40%，因此，碳纖維編織復合材料的耐疲勞強度很高，用于制作羽毛球拍會使使用壽命大幅度增加。

1.4碳纖維編織復合材料的熱膨脹系數(shù)分析

本文對碳纖維編織復合材料的熱膨脹系數(shù)進行分析，將碳纖維編織復合材料進行熱膨脹系數(shù)測定實驗，結果如圖2所示。

由圖2可得知，碳纖維編織復合材料的熱膨脹系數(shù)非常小，對于羽毛球拍來說，熱膨脹系數(shù)越小，則羽毛球拍在擊打時的準確率越大，因此，碳纖維編織復合材料適合用于羽毛球拍的制造中。

1.5碳纖維編織復合材料的破損安全性能分析

對碳纖維編織復合材料的破損安全性能進行分析，進行如下實驗，對碳纖維編織復合材料進行多次任意角度的破壞，測定其被破壞后纖維是否依舊發(fā)揮作用，實驗結果表明，即使在被破壞后，除了破壞點位，其余部位的碳纖維仍能發(fā)揮其作用，個別碳纖維的斷裂并不能導致整體結構受損，此性質在羽毛球拍中尤其重要。

1.6碳纖維編制復合材料阻尼性能分析

對碳纖維編織復合材料的阻尼性能與鋼材、鋁材的阻尼性能進行對比，實驗結果如表3所示。

表3是通過多次振動測量熱能的方式來計算得到的，由于在碳纖維編織復合材料中的聚合化合物具有粘性，因此在平面上存在裂紋與脫落的地方依舊存在摩擦力。分析可知，碳纖維編織復合材料的阻尼系數(shù)比鋼材和鋁材大。

1.7碳纖維編織復合材料的設計自由度高

碳纖維編織復合材料的以上特性使得它的設計自由度很高，各向異性的特性使得可以隨意改變碳纖維的鋪疊方向來增強或抑制某方面的性能，在羽毛球拍的制造中，可以根據使用者的身體情況酌情改變，這是傳統(tǒng)金屬無法實現(xiàn)的。

2碳纖維編織復合材料技術在羽毛球拍制造中的應用

在經過對碳纖維編織復合材料的性能分析后，本文將闡述對于在制造羽毛球拍中的具體應用。碳纖維編織復合材料可以通過科學合理的設計直接制作成需要的形狀，因此，相比于傳統(tǒng)方式制造羽毛球拍，使用碳纖維編織復合材料可以省略大部分的組合型架與裝配型架，因此可以降低制作成本，在使用碳纖維編織復合材料制作羽毛球拍時主要分為四個流程：纏繞成型、模壓成型、RTM樹脂傳遞模塑、擠壓成型。

2.1纏繞成型

由于碳纖維編織復合材料具有強度高的特性，因此可以使用纏繞技術制作羽毛球拍模型，將預浸料均勻的纏繞在纏繞機的芯模中，等待自然固化，進而去除芯模取出制品，在這一過程中，碳纖維編織材料憑借強度高的優(yōu)勢，因此在生產羽毛球拍制品時可實現(xiàn)制品生產的批量化和機械化，從而有效提升生產效率，并提高生產企業(yè)的經濟效益。而這種高強度的特征是由于碳纖維編織復合材料能夠根據制品的受力情況重新排列碳纖維，從而獲取高強度的優(yōu)質制品。

2.2模壓成型

在模壓成型工藝流程中，主要制造羽毛球拍的圓形部位，在封閉的模具腔內，將碳纖維編織復合材料按照模型加入，通過加熱與氣壓固化使碳纖維編織復合材料成型，以此得到復合材料制品，在模壓成型流程中使用的模具分為兩部分，陰模具與陽模具，模壓成型法利用了碳纖維編織復合材料具有的密度小的特點且硬度大，使用此方式生產效率相比傳統(tǒng)方法大幅度增強，而且制造出的制品尺寸精準，外表光滑無雜質，且優(yōu)于碳纖維編織復合材料的特性，不損傷制品的性能，不需要對制作好的制品進行二次加工。對于羽毛球拍的圓形部位，精準度要求極高，稍有偏差便可導致整個拍型歪斜，使用模壓成型方式可以很好的解決這一困難。

2.3RTM樹脂傳遞模型

RTM樹脂傳遞模型是傳統(tǒng)制造經常使用的，但傳統(tǒng)制造方發(fā)在次流程時由于材料的熱膨脹系數(shù)與破損安全性能差，會損耗大量的原材料，而使用碳纖維編織復合材料變無需考慮這些問題，碳纖維編織復合材料的低熱膨脹系數(shù)以及高破損安全性使得極大的減少了生產過程中的材料損耗。

RTM樹脂傳遞模型是將制作好的模型組裝起來，將制作好的模型鋪放到設計好的模型中，將樹脂注入模型，等待自然固化，以此完成模型制品，RTM樹脂傳遞模型能夠高質量，高精度，低孔隙的完成復雜的材料構建，產品生產效率高，投入低，揮發(fā)的有毒氣體少，有助于環(huán)境保護，對于增強增厚的部件效果很好。

2.4擠拉成型

擠拉成型技術是將經過RTM樹脂傳遞模型組合好的制品進行最后的調整，在碳纖維束的外力牽引下，經過浸膠與擠壓成型，最后加熱固化，然后進行切割，最后得到完美的羽毛球拍，擠拉成型技術利用了碳纖維編織復合材料柔韌性強的特點，將經過浸漬的碳纖維編織復合材料通過成型模具，在模具腔內灌入凝膠，固化后加熱，成型工藝簡單，生產效率高。

3實驗分析

3.1實驗目的

為了證明使用碳纖維編織復合材料制造的羽毛球拍的性能優(yōu)于使用傳統(tǒng)材料制造的羽毛球拍，本文設計以下實驗證明。

3.2實驗設定

本文選取了使用碳纖維編織復合材料制造的羽毛球拍以及使用鋼材制造的羽毛球拍與使用鋁材制造的羽毛球拍，對其進行性能分析實驗，通過測定以上3個羽毛球拍的比強度、比模量、疲勞強度、熱膨脹系數(shù)、破損安全性能以及阻尼系數(shù)，來完成實驗。實驗選取的3個羽毛球拍在型號上以及其他因素完全一致。

3.3實驗結果

3.4結果分析

由表4可得知，使用碳纖維編織復合材料制作的羽毛球拍，在比強度、比模量、疲勞強度、熱膨脹系數(shù)、破損安全性能以及阻尼系數(shù)的分析實驗中，所得數(shù)據都遠遠優(yōu)于使用鋼材制造的羽毛球拍與使用鋁材制造的羽毛球拍，這些性能上的優(yōu)勢是因為碳纖維編織復合材料所特有的優(yōu)良屬性。因此，使用碳纖維編織復合材料制造的羽毛球拍在整體屬性上遠遠優(yōu)于使用傳統(tǒng)材料制造的羽毛球拍。

4結語

為提升羽毛球拍的耐磨性及使用壽命，文章針對碳纖維編織復合材料技術在羽毛球拍中的應用進行分析，深入研究了碳纖維編織復合材料的各種性能，探討了在羽毛球拍中的應用效果。通過本文分析可知，碳纖維編織復合材料的應用，不僅能夠有效提升體育用具的使用壽命，還能夠保障體育用品應用的安全性。通過上述內容的研究對于體育器材制作有一定的促進意義，同時以期對體育用品材料分析提供一些可行依據。