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摘 要：针对体育健身器材用碳纤维织物的压缩成型特性问题，本研究从碳纤维织物的编织方式和定型剂含量两个方面，通过实验研究了不同方式编织的两种碳纤维织物，在压缩过程中预定型织物的初始厚度、压缩时间、松弛能力之间的关系，以及压缩结束后其松弛率和回弹变形占比情况。实验结果表明，压缩过程中，两种碳纤维织物的厚度均随应力的增加而减小，应力均随压缩时间的增加而增加，压缩时间均随定型剂含量的增加而增大，松弛能力随定型剂含量增加而增强。压缩结束后，两种碳纤维预定型织物的松弛率随定型剂含量增加而逐渐增大，两种碳纤维预定型织物的弹性回弹变形占比均逐渐减小，粘弹性回弹变形占比均逐渐增加，永久变形占比均增加。
关键词：体育器材;碳纤维;定型剂;压缩成型
中图分类号：TQ342+.742 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0049-04
Abstract：In view of the compression molding characteristics of carbon fiber fabrics used in sports fitness equipment， this paper studies two carbon fiber fabrics woven in different ways from two aspects： the weaving method of carbon fiber fabrics and the content of setting agent. The relationship between the initial thickness of the fabric， compression time， and relaxation capacity， as well as the percentage of relaxation rate and rebound deformation after compression.. The experimental results show that during the compression process， the thickness of the two kinds of carbon fiber fabrics decreases with the increase of the stress， the stress increases with the increase of the compression time， the compression time increases with the increase of the setting agent content， and the relaxation ability increases with the increase of the setting agent content. After compression， the relaxation rate of the two kinds of carbon fiber preformed fabrics increases gradually with the increase of setting agent content. The proportion of elastic rebound deformation of the two carbon fiber preformed fabrics decreases gradually， the proportion of viscoelastic rebound deformation increases gradually， and the proportion of permanent deformation increases.
Key words：sports equipment; carbon fiber; setting agent; compression molding
碳纤维是一种由碳元素组成的有机纤维，具有耐高温、高强度、高模量、导电、导热等特性。目前，常见的碳纤维材料主要是由片状石墨微晶通过碳化处理，并与聚碳酸酯进行复合得到的碳纤维复合材料，这种材料在众多民用领域得到了广泛的应用。在体育领域，这种材料常用于制作体育健身器材。然而在制造体育健身器材的碳纤维复合材料过程中，预定型工艺是决定碳纤维材料整体性能的关键工艺，但由于现代预定型工艺对预成型过程中使用碳纤维织物的编织方式和定型剂用量没有统一标准，并且不清楚定型剂含量对压缩成型过程中预定型产物的特性和回弹性的影响，故本研究选取日常生活中常见的2种碳纤维织物，定性、定量分析了织物的编织方式以及定型剂含量对碳纤维预定型织物成型的影响。
1 材料与方法
本研究实验原料选用日常生活中常见的2种碳纤维织物cc-2t200、cc-p450;定型剂选用德国FCF006型定型剂;压缩设备选用美国MTS-E45.110万能材料试验机。碳纤维物cc-2t200、cc-p450未加入定型剂前，基本的物理性质参数如表1所示，宏观形貌如图1所示。由图1可知，在进行压缩之前，cc-2t200、cc-p450的纹路清晰，纹路形式分別为斜纹和平纹。
将含量为0%、4%、8%、12%的四种定型剂分别均匀地涂抹在碳纤维织物cc-2t200、cc-p450的表面，设置蠕变时间为30min，并以速度为1mm/min的压缩速度进行预成型压缩实验。实验过程中，采用GP-770B显微镜观察碳纤维物外形，记录不同含量的定型剂对碳纤维物的压缩成型特性参数，标记定型后的碳纤维织物为cc-2t200-x、cc-p450-x。
2 结果与分析
2.1 预定型织物初始厚度分析 当分别向cc-2t200和cc-p450加入含量为0%、4%、8%、12%的定型剂后，cc-2t200-x、cc-p450-x两种碳纤维预定型织物的初始厚度均随着定型剂含量的增加而增加;同一定型剂含量下，cc-p450-x的初始厚度比cc-2t200-x的初始厚度更厚，其原因在于预定型织物的厚度既包括原始碳纤维织物cc-2t200-x、cc-p450-x的厚度，同时也包括定型剂厚度，因此含量越高的定型剂厚度越高，预定型织物的厚度也越高。
2.2 压缩过程中预定型织物各曲线变化
压缩过程中，得到预定型织物cc-2t200-x和cc-p450-x厚度-应力、压缩应力-时间、压缩时间、应力松弛变化等。
2.2.1 厚度-应力曲线
图2为厚度与应力变化的曲线。开始压缩时，碳纤维预定型织物cc-2t200-x、cc-p450-x两者的厚度均随应力的增加而急剧减小;压缩到一定时间后，cc-2t200-x、cc-p450-x两者的厚度均随应力的增加而缓慢减小。
2.2.2 应力-时间变化曲线
由图3可知，开始压缩时，cc-2t200-x、cc-p450-x两者的应力随压缩时间的增加变化不大;当压缩到一定时间后，cc-2t200-x、cc-p450-x两者的应力快速增加。另外，同一预定型织物在不同定型剂含量下，压缩时间不同，当定型剂含量為0时，压缩时间最短;当定型剂含量为12%时，压缩时间最长，说明压缩时间随定型剂的含量增加而逐渐变长。
2.2.3 压缩时间统计
由图4可知，当加入不同含量的定型剂后，cc-2t200-x、cc-p450-x的压缩时间均随定型剂含量的增加而不断增大;同一含量定型剂时，cc-p450-x的压缩时间比cc-2t200-x的压缩时间更长，其原因在于定型剂会使碳纤维之间产生黏附作用，导致压力增幅降低，此外，定型剂的抗变形能力较弱，加入定型剂后预定型织物的整体抗变形能力减弱，故达到所需应力的时间更长。
2.2.4 应力松弛曲线
由图5可知，当加入定型剂后，cc-2t200-x、cc-p450-x的标准应力变化趋势相似，标准应力均随时间的增加而逐渐减小。同一预定型织物，当定型剂含量增加时，其松弛能力逐渐增强。
2.3 压缩结束预定型织物松弛率与回弹变形
2.3.1 松弛率变化曲线
不同织物种类松弛率变化如表2所示。
由表2可以看出，同一种预定型织物时，cc-2t200-x和cc-p450-x的松弛率均随定型剂含量增加而不断加;同一定型剂含量时，cc-p450-x的松弛率大于cc-2t200-x的松弛率，其原因在于定型剂对cc-2t200-x的束缚作用强于对cc-p450-x的束缚作用，故cc-2t200-x的松弛率小于cc-p450-x。
2.3.2 织物回弹变形统计
图6为加入不同含量定型剂后预定型织物的回弹变形占比柱状图。由图可知，当加入定型剂后，随着加入定型剂含量增加时，cc-2t200-x与cc-p450-x的弹性回弹变形占比均逐渐减小，粘弹性回弹变形占比逐渐增加，永久变形占比增加。通过对比分析不同定型剂含量对回弹阶段回弹变形占比的影响来看，当定型剂含量为4%的时候，定型剂的定型性价比最高，既可以达到预期的定型效果，同时又可以节约定型剂用量。
由于定型剂会抑制织物的回弹，因此预定型织物的弹性回弹占比会随定型剂含量的增加而呈下降趋势。同时，在预定型织物定型松弛结束后，仍然还有定型剂时，会消耗织物剩余的能量，导致织物的永久变形占比增加，织物的弹性回弹占比减小。
3 结论
（1）在加入定型剂之前，碳纤维织物cc-2t200与cc-p450的纹路清晰，分别呈斜纹和平纹。
（2）加入定型剂后，预定型织物cc-2t200-x和cc-p450-x的初始厚度均随着定型剂含量的增加而增加。
（3）压缩过程中，cc-2t200-x和cc-p450-x的厚度随应力的增加而减小，应力随压缩时间的增加而增加，压缩时间均随定型剂含量的增加而增大，松弛能力随定型剂含量增加而增强。
（4）压缩结束后，预定型织物的松弛率随定型剂含量增加而逐渐增大，当定型剂含量为0时，cc-2t200-x的松弛率最小;当定型剂含量为12%时，cc-p450-x的松弛率最大。通过对比分析可知，定型剂对cc-p450-x的松弛率大于对cc-2t200-x的松弛率。此外，随着定型剂含量的增加，cc-2t200-x与cc-p450-x的弹性回弹变形占比均逐渐减小，粘弹性回弹变形占比均逐渐增加，永久变形占比均增加。
参考文献
[1]吴怡凡，张学军，田艳红.碳纤维与磷脂分子聚集行为相关性研究[J/OL].化工新型材料：1-7[2020-09-14].
[2]宋可心，张雷，贾学志，等.吉林一号轻型高分辨空间相机碳纤维桁架支撑技术[J/OL].光学学报，2020（09）：1-12[2020-09-14].
[3]孟雨辰，王彦辉，荆蓉，等.碳纤维复合材料用环氧树脂体系研究进展[J/OL].现代化工：1-10[2020-09-14].
[4]李胜华，李金良，王旭之.具有碳纤维材料环的超高压模具[J/OL].高压物理学报：1-7[2020-09-14].
[5]籍龙波，朱学武，丁建鹏，等.乘用车碳纤维复合材料研究及应用进展[J].汽车文摘，2020（09）：17-22.
[6]何芳，武博，许小海，等.碳纤维网格加固混凝土梁制备及其抗折性能研究[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2020，53（11）：1197-1203.
[7]李晓涵，李勇，还大军，等.热塑性定型剂对干铺丝-RTM工艺及力学性能影响[J].航空动力学报，2019，34（04）：864-874.
[8]张念坤.康复器械用碳纤维织物的压缩成型特性研究[J].合成材料老化与应用，2019，48（05）：96-101.
[9]冀雨，俞国胜，许小锋.解捆状玉米秸秆常温压缩成型试验研究[J].可再生能源，2019，37（12）：1770-1776.
[10]安紫娟，何继敏，王国俨，等.注射压缩模具及注射压缩成型技术研究进展[J].现代塑料加工应用，2019，31（06）：60-63.
关键词：体育器材;碳纤维;定型剂;压缩成型
中图分类号：TQ342+.742 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0049-04
Abstract：In view of the compression molding characteristics of carbon fiber fabrics used in sports fitness equipment， this paper studies two carbon fiber fabrics woven in different ways from two aspects： the weaving method of carbon fiber fabrics and the content of setting agent. The relationship between the initial thickness of the fabric， compression time， and relaxation capacity， as well as the percentage of relaxation rate and rebound deformation after compression.. The experimental results show that during the compression process， the thickness of the two kinds of carbon fiber fabrics decreases with the increase of the stress， the stress increases with the increase of the compression time， the compression time increases with the increase of the setting agent content， and the relaxation ability increases with the increase of the setting agent content. After compression， the relaxation rate of the two kinds of carbon fiber preformed fabrics increases gradually with the increase of setting agent content. The proportion of elastic rebound deformation of the two carbon fiber preformed fabrics decreases gradually， the proportion of viscoelastic rebound deformation increases gradually， and the proportion of permanent deformation increases.
Key words：sports equipment; carbon fiber; setting agent; compression molding
碳纤维是一种由碳元素组成的有机纤维，具有耐高温、高强度、高模量、导电、导热等特性。目前，常见的碳纤维材料主要是由片状石墨微晶通过碳化处理，并与聚碳酸酯进行复合得到的碳纤维复合材料，这种材料在众多民用领域得到了广泛的应用。在体育领域，这种材料常用于制作体育健身器材。然而在制造体育健身器材的碳纤维复合材料过程中，预定型工艺是决定碳纤维材料整体性能的关键工艺，但由于现代预定型工艺对预成型过程中使用碳纤维织物的编织方式和定型剂用量没有统一标准，并且不清楚定型剂含量对压缩成型过程中预定型产物的特性和回弹性的影响，故本研究选取日常生活中常见的2种碳纤维织物，定性、定量分析了织物的编织方式以及定型剂含量对碳纤维预定型织物成型的影响。
1 材料与方法
本研究实验原料选用日常生活中常见的2种碳纤维织物cc-2t200、cc-p450;定型剂选用德国FCF006型定型剂;压缩设备选用美国MTS-E45.110万能材料试验机。碳纤维物cc-2t200、cc-p450未加入定型剂前，基本的物理性质参数如表1所示，宏观形貌如图1所示。由图1可知，在进行压缩之前，cc-2t200、cc-p450的纹路清晰，纹路形式分別为斜纹和平纹。
将含量为0%、4%、8%、12%的四种定型剂分别均匀地涂抹在碳纤维织物cc-2t200、cc-p450的表面，设置蠕变时间为30min，并以速度为1mm/min的压缩速度进行预成型压缩实验。实验过程中，采用GP-770B显微镜观察碳纤维物外形，记录不同含量的定型剂对碳纤维物的压缩成型特性参数，标记定型后的碳纤维织物为cc-2t200-x、cc-p450-x。
2 结果与分析
2.1 预定型织物初始厚度分析 当分别向cc-2t200和cc-p450加入含量为0%、4%、8%、12%的定型剂后，cc-2t200-x、cc-p450-x两种碳纤维预定型织物的初始厚度均随着定型剂含量的增加而增加;同一定型剂含量下，cc-p450-x的初始厚度比cc-2t200-x的初始厚度更厚，其原因在于预定型织物的厚度既包括原始碳纤维织物cc-2t200-x、cc-p450-x的厚度，同时也包括定型剂厚度，因此含量越高的定型剂厚度越高，预定型织物的厚度也越高。
2.2 压缩过程中预定型织物各曲线变化
压缩过程中，得到预定型织物cc-2t200-x和cc-p450-x厚度-应力、压缩应力-时间、压缩时间、应力松弛变化等。
2.2.1 厚度-应力曲线
图2为厚度与应力变化的曲线。开始压缩时，碳纤维预定型织物cc-2t200-x、cc-p450-x两者的厚度均随应力的增加而急剧减小;压缩到一定时间后，cc-2t200-x、cc-p450-x两者的厚度均随应力的增加而缓慢减小。
2.2.2 应力-时间变化曲线
由图3可知，开始压缩时，cc-2t200-x、cc-p450-x两者的应力随压缩时间的增加变化不大;当压缩到一定时间后，cc-2t200-x、cc-p450-x两者的应力快速增加。另外，同一预定型织物在不同定型剂含量下，压缩时间不同，当定型剂含量為0时，压缩时间最短;当定型剂含量为12%时，压缩时间最长，说明压缩时间随定型剂的含量增加而逐渐变长。
2.2.3 压缩时间统计
由图4可知，当加入不同含量的定型剂后，cc-2t200-x、cc-p450-x的压缩时间均随定型剂含量的增加而不断增大;同一含量定型剂时，cc-p450-x的压缩时间比cc-2t200-x的压缩时间更长，其原因在于定型剂会使碳纤维之间产生黏附作用，导致压力增幅降低，此外，定型剂的抗变形能力较弱，加入定型剂后预定型织物的整体抗变形能力减弱，故达到所需应力的时间更长。
2.2.4 应力松弛曲线
由图5可知，当加入定型剂后，cc-2t200-x、cc-p450-x的标准应力变化趋势相似，标准应力均随时间的增加而逐渐减小。同一预定型织物，当定型剂含量增加时，其松弛能力逐渐增强。
2.3 压缩结束预定型织物松弛率与回弹变形
2.3.1 松弛率变化曲线
不同织物种类松弛率变化如表2所示。
由表2可以看出，同一种预定型织物时，cc-2t200-x和cc-p450-x的松弛率均随定型剂含量增加而不断加;同一定型剂含量时，cc-p450-x的松弛率大于cc-2t200-x的松弛率，其原因在于定型剂对cc-2t200-x的束缚作用强于对cc-p450-x的束缚作用，故cc-2t200-x的松弛率小于cc-p450-x。
2.3.2 织物回弹变形统计
图6为加入不同含量定型剂后预定型织物的回弹变形占比柱状图。由图可知，当加入定型剂后，随着加入定型剂含量增加时，cc-2t200-x与cc-p450-x的弹性回弹变形占比均逐渐减小，粘弹性回弹变形占比逐渐增加，永久变形占比增加。通过对比分析不同定型剂含量对回弹阶段回弹变形占比的影响来看，当定型剂含量为4%的时候，定型剂的定型性价比最高，既可以达到预期的定型效果，同时又可以节约定型剂用量。
由于定型剂会抑制织物的回弹，因此预定型织物的弹性回弹占比会随定型剂含量的增加而呈下降趋势。同时，在预定型织物定型松弛结束后，仍然还有定型剂时，会消耗织物剩余的能量，导致织物的永久变形占比增加，织物的弹性回弹占比减小。
3 结论
（1）在加入定型剂之前，碳纤维织物cc-2t200与cc-p450的纹路清晰，分别呈斜纹和平纹。
（2）加入定型剂后，预定型织物cc-2t200-x和cc-p450-x的初始厚度均随着定型剂含量的增加而增加。
（3）压缩过程中，cc-2t200-x和cc-p450-x的厚度随应力的增加而减小，应力随压缩时间的增加而增加，压缩时间均随定型剂含量的增加而增大，松弛能力随定型剂含量增加而增强。
（4）压缩结束后，预定型织物的松弛率随定型剂含量增加而逐渐增大，当定型剂含量为0时，cc-2t200-x的松弛率最小;当定型剂含量为12%时，cc-p450-x的松弛率最大。通过对比分析可知，定型剂对cc-p450-x的松弛率大于对cc-2t200-x的松弛率。此外，随着定型剂含量的增加，cc-2t200-x与cc-p450-x的弹性回弹变形占比均逐渐减小，粘弹性回弹变形占比均逐渐增加，永久变形占比均增加。
参考文献
[1]吴怡凡，张学军，田艳红.碳纤维与磷脂分子聚集行为相关性研究[J/OL].化工新型材料：1-7[2020-09-14].
[2]宋可心，张雷，贾学志，等.吉林一号轻型高分辨空间相机碳纤维桁架支撑技术[J/OL].光学学报，2020（09）：1-12[2020-09-14].
[3]孟雨辰，王彦辉，荆蓉，等.碳纤维复合材料用环氧树脂体系研究进展[J/OL].现代化工：1-10[2020-09-14].
[4]李胜华，李金良，王旭之.具有碳纤维材料环的超高压模具[J/OL].高压物理学报：1-7[2020-09-14].
[5]籍龙波，朱学武，丁建鹏，等.乘用车碳纤维复合材料研究及应用进展[J].汽车文摘，2020（09）：17-22.
[6]何芳，武博，许小海，等.碳纤维网格加固混凝土梁制备及其抗折性能研究[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2020，53（11）：1197-1203.
[7]李晓涵，李勇，还大军，等.热塑性定型剂对干铺丝-RTM工艺及力学性能影响[J].航空动力学报，2019，34（04）：864-874.
[8]张念坤.康复器械用碳纤维织物的压缩成型特性研究[J].合成材料老化与应用，2019，48（05）：96-101.
[9]冀雨，俞国胜，许小锋.解捆状玉米秸秆常温压缩成型试验研究[J].可再生能源，2019，37（12）：1770-1776.
[10]安紫娟，何继敏，王国俨，等.注射压缩模具及注射压缩成型技术研究进展[J].现代塑料加工应用，2019，31（06）：60-63.