复合材料网球拍框的制造方法及测试
发布时间: 2010-01-13 | 作者: | 访问次数: 1173

 

        由于复合材料具有优异的物理性能和重量轻等特点。因此,多数网球拍用复合材料来制造,其中所选用的材料有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等,又以预浸布的使用最为普遍。20世纪70年代以来,广泛采用了玻璃纤维碳纤维等作为强化纤维的FRP(热固性纤维增强塑料)材料制造网球拍。为进一步提高球拍框的性能,生产厂家不断的改进球拍框的制造方法,下面介绍一种复合材料网球拍框的制造方法。
1.制造方法简介
        制造球拍框使用的强化纤维,一般为长纤维、短纤维、单晶纤维等使用的基体树脂,主要为环氧树脂等热固性树脂,部分为尼龙6.6等热塑料树脂。使用环氧树脂时,为了使球拍框具有耐受绷紧肠弦的强度并保持将球击回时所需要的强度,就要增加框拍整体的刚性,这样就会出现较硬的打球感。由于拍框的硬度过强,在实际使用中球拍的寿命要受到限制。另外,拍框涂层表面常因受到接触摩擦,出现损伤,以至断裂。
        采用具有较好的振动衰减性和疲劳强度的纤维增强塑料制成球拍框能够克服上述不足,保持球拍框的良好性能。其制造方法是将热固性长纤维增强塑料和热塑性长纤维增强塑料混和,形成纤维增强塑。用这种塑料制造球拍框的工序是先用侵透了热塑性树脂的预浸材料被覆在芯体上并进行折叠滚压后加以烘干裁切,再用热塑性长纤维增强塑料薄片或筒状材料进行被覆,然后放入成形用金属模具中加热至塑料熔点以上,并设定时间打入高压气体或注入熔剂以提供内压,使纤维布在模具中成型,然后加以冷却开模,即可将成型的球拍框由模具中取出。
        该项技术中使用的热塑性长纤维增强塑料是由纤维材料和基体树脂构成。纤维材料具有振动衰减性、韧性等能改善并保持球拍框的各种特性,基体树脂具有可挠性,能把拍框的刚性控制在最小限度。由于热固性长纤维增强塑料硬化时,基体树脂会熔融软化,使两者紧密粘接。该项技术能够在球拍框的任意位置上按照需要量配置使用热塑性长纤维增强塑料片,可改善并保持球拍框的各种特性。同时由于基体树脂具有很好的可挠性,既可把刚性控制在最小限度,又可以在需要的位置按照所要求的量进行安排使用。此外,由于它的成形性很好,可以与其它部件混合配置,可分别随意改变其振动衰减性,进行各种振动设计。同时,通过控制树脂的使用可改变球拍框的弹性和粘性。从而可以制成各种规格式样的球拍框。
2.具体加工工序
        此方法的特点是在滚压与裁切两个步骤之间增加一烘干步骤。烘干是将滚压加工后的纺织物置入一烘干设备中加速干燥,其烘干温度控制在不使复合材料产生化学变化或物理变化的范围内。与发泡制造法和空气吹气法相比,具有整体加工更为迅速,复合材料分布均匀,产品各个部位的厚薄一致,品质更精确等优点。具体加工步骤如下:
1、备料:备全碳纤维或类似的长纤维热塑型塑料化合物,使上述两种材料可熔合的介质。
2、加热:将热塑型塑料化合物加热至熔融状态。
3、搅拌:将可熔合的介质以1%的比例加入熔融状态的热塑型塑料中搅拌。
4、编织:将长纤维含浸搅拌成的混合液在滚筒式编织机中制成半成品,其厚度为0.13mm、含浸量为整体重量的35%~45%的平板状的含浸纤维布。
5、折叠:将含浸纤维布按所需要的角度折叠成半成品,即编织物。
6、滚压:将编织物在滚压机上滚压,使复合材料中的气泡排出,并使表面平整。
7、烘干:将滚压后的编织物置于烘干设备中,温度为60℃~70℃ ,以加速干燥。
8、裁切:将编织物按所设定的尺寸裁所片状,其长度为160mm以下,宽度为90mm以下。
9、积层:包括三个部分,① 将一软质并可耐300℃以上温度的由PEEK、TEFLON或PI材质制成的管体中,穿入一由PE、PC材料制成的硬质条状物,以形成球拍的基本模型;② 将编织物裁片按设定顺序及位置包覆于模型上,形成一框状结构;③ 将在100℃高温下可膨胀的化学物置于弧形且可耐300℃的管中,并如上述的方法形成球拍的喉部。
l0、预型:将积层于基本模型上的框状结构和喉部用裁切的编织物结合在一起,再将框状结构一端封闭,另一端开放,并在开放端设置一气嘴。
12、入模:将上述半成品置入模具中,并封闭模具,仅留下气嘴露于外侧。
13、加热成型:由气嘴注入溶剂或打入高压气体,封闭气嘴后,再将模具置入油压平台中闭合加压。然后,对模具进行加热,并使平台温度高于热塑型化合物的温度,加热后溶剂或气体膨胀所产生的内压使纤维布在模具中成型。
14、冷却:将加热后的模具在维持其气压和内压的情况下降低温度,模具中的复合材料冷却定型。
15、开模,取出成形的球拍。
3.网球拍测试
        较为常用的几种测试方法被大多数制造商所认可和采用。
3.1非破坏性实验
        在大多数制造工艺中,在不同的阶段都对质量、平衡点和旋转质量进行监控,以便尽可能早的在过程中发现问题。网球拍的质量、平衡点、旋转质量和框架刚度是制造过程的基本指标,通常随机进行测试,或在网球拍完工后去全部进行测试。
        测试沿着球拍长度的冲击方向上的弯曲强度有一种特定的实验即三点弯曲实验。在球拍脸部的两边各选定两点来支撑球拍,一边在钟表时针指向5点钟和6点钟的位 置,另一边在10点钟和11点钟的位置(将球拍的脸部视为一个钟的表面),用一个连接框架两边的负载夹在沿着球拍脸部的离散点上,测试所有点的偏离度,并与其他不同的球拍相比较。球拍抗扭程度的实验为扭矩测试,它类似于三点弯曲实验,但支撑点有所不同,扭矩测试的支撑点在球拍脸部的任一边而非两边,也就是 说在5点钟和11点钟处,这样在框架上产生扭力,通过测试偏差来反映球拍的抗扭程度。顶部变形实验运用一种两点加载法,在球拍顶部的1点钟和11点钟两点处加载负荷,以此表示球拍顶部沿着半径方向的强度。在球拍脸部这是个关键区域,在受到冲击时会承受非常大的负载。另外,该实验还用来测试所用负载的偏离。
3.2破坏性实验
        破坏性实验要做到使球拍变形直至破坏,然后测试最终的外力。
        顶部冲击实验是对顶部区域进行动态测试。实验时将从球拍从高处坠落,逐渐增加高度,直到球拍被破坏。采用球拍破坏的坠落高度来表示球拍顶部的冲击强度。
        运动员灰心时会将球拍扔到地上或者球网上的趋向力经常导致在球拍脸部3点钟和9点钟处发生故障,这迫使制造商设计了在这种条件下的实验。将球拍放在一个类似于钟摆的圆形框架里,围绕球柄旋转,从水平位置坠落,与垂直方向坚固的圆周相碰撞。可以向顶部冲击实验一样在球拍上加载质量,增大质量直至球拍破坏。在 这种情况下,用直至球拍破坏为止的所有质量之和来表示球拍抗击边缘冲击的能力。
        球拍还需要具有一定的耐温性能,因此有温度实验来测试其耐温性能。将球拍排成一列,在80℃的环境中放置约4个小时,然后测试其缺陷。
        估计索环强度实验。用一根网线从两个索环孔里穿过,在框架的里面持续拉线的两端直到索环或框架经受不住剪切应力。以测出的导致故障的最大压力来表明索环的强度。

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