引言
为了满足体育事业的发展需求，推动全民运动的进步，各个地区在城市规划工作中逐渐开始开展体育设施和运动器械落实工作。结合力学性能测试和耐腐蚀测试，对体育设施和运动器械中应用的塑料和复合材料予以分析判断，从而强化使用寿命和应用质量，保障体育活动的安全性和规范性。
1材料与方法
以拉挤型碳纤维增强体复合板（宽25mm、厚1.5mm，拉伸强度1652MPa、弹性模量172GPa、断后伸长率1.0%）和薄钢板（拉伸强度400MPa、屈服强度270MPa、弹性模量2.1×105MPa、泊松比0.29、断后伸长率39.5%）为原料，以线性T1胶粘剂（弹性模量1.75GPa、拉伸强度39.8MPa、最大应变6.35%、应变能2N/mm）和非线性T2胶粘剂（弹性模量3.15GPa、拉伸强度52.92MPa、最大应变1.93%、应变能0.58N/mm）为结构胶粘剂。将上述拉挤型碳纤维增强体复合板和薄钢板粘结成拉伸试件和短梁剪切试件。拉伸试件尺寸为25cm×25cm×1.5mm，测试标准为ASTMD3039《聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》，每组准备5个平行试样；短梁剪切试件根据ASTMD2344/D2344M-2016《聚合物基复合材料及其层压材料短梁强度的标准试验方法》进行试样制备，每组准备5个平行试样。试验试件分别采用T1和T2两种胶粘剂进行胶粘，然后置于GT-TH-S-80Z型温度交变箱中进行温度交变处理，胶粘对接基体材料为钢板。
2碳纤维复合材料制造体育器械的成型工艺
2.1场地选材
体育事业除了要关注器械和项目设施外，也要关注场地环境，尤其是运动场内部和跑道地板等。随着科学技术的不断发展和进步，塑胶跑道和塑胶地板逐渐取代了传统的水泥地面。它的最大优势在于能有效防滑减震，且外观较为美观，对于提升运动员运动舒适度具有重要意义。第一层是基础层，一般利用材质较为坚硬的鹅卵石铺垫，对应的缝隙需要填充河沙，因此也被称为砂石垫层，最大的功效是能有效提升地基的坚固性，确保场地的稳定和安全。第二层是防潮层，主要是应用聚乙烯薄膜完成对应的铺设，利用薄膜的阻隔作用有效减少水气和湿气对其产生的影响。第三层，混凝土层，有效维持地基的稳固性。第四层，塑胶砂过渡层，需要借助新型材料，一般是将砂和E/VAC物质混合，以保证粘结效果，避免渗漏。第五层是塑胶层，利用香蕉粉和E/VAC乳液混合，保证场地的回弹效果。第六层是面层，是最终的塑胶弹力层，无论是力学性能还是耐磨损性能都较好，拉伸强度超过25MPa，静摩擦系数为0.53，动摩擦系数为0.58，在实际应用中效果较好。
2.2缠绕成型工艺
缠绕成型工艺指在专业的缠绕设备上，将制造器械的原料均匀地、有规律地缠绕在设备的转动轴芯模上，对其进行固化处理，去除芯模得到所需的体育器械。采用缠绕成型的工艺可以制造球体、圆柱类简单的旋转体体育器械，也可以制造非旋转体器械的零部件。缠绕成型工艺的特点为分析目标器械的受力情况，将碳纤维复合材料的纤维按照某一方向进行规律性排布，充分发挥碳纤维复合材料纤维的强度，最终制得强度高、模量高、质量较轻的体育器械。此外，缠绕成型工艺可以实现机械化、连续化地生产，可以有效缩短生产周期，提升体育器材生产效率，降低器械生产成本。但缠绕成型工艺将材料固化后需要去除芯模，不适于制造表面呈凹凸状的体育器械。为制得性能优异的碳纤维复合材料，利用缠绕成型加工工艺，自制高功率红外加热热塑性复合材料缠绕成型机，将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料作为原料，探究了缠绕成型工艺中的缠绕速率、送料张力、加热温度等工艺参数对碳纤维复合材料制品综合性能的影响，并得出最佳缠绕成型工艺条件，制备出性能优异的碳纤维复合材料制品。
2.3树脂传递模塑成型工艺
树脂传递模塑成型工艺是一种成本较低的碳纤维复合材料成型工艺，最初被用于航空航天、汽车配件领域。树脂传递模塑成型工艺具有效率高、成本低、受外界环境影响小、精度高等优势，适用于制造结构复杂、体积较大、强度高的体育器械。树脂传递模塑成型工艺的制造原理为按照结构和性能要求，一定压力条件下，在设备模腔中铺放碳纤维复合材料预成形体，通过注射器材将专用的树脂基材注入封闭的模腔内，树脂基材与碳纤维增强体浸润、固化形成目标体育器械。树脂传递模塑成型工艺不需要使用胶衣树脂即可制出表面光滑、高纤维含量、高精度、高质量的碳纤维复合材料。树脂传递模塑成型工艺产生的挥发物质和有害气体较少，生产环境较好，有利于保护生产工作者的身体健康。利用树脂传递模塑成型工艺制备碳纤维复合材料，并利用弯曲实验和拉伸实验探究了复合材料的力学性能。实验结果表明，采用树脂传递模塑成型工艺制得的碳纤维环氧树脂复合材料力学性能优异。
2.4±45°方向拉伸
为体育器械用三维机织复合材料±45°方向拉伸的剪切应力-剪切应变曲线，图中实线和虚线分别表示应变片（SG）和三维DIC技术获得的应力-应变曲线。对比分析可知，SG和DIC技术对应的应力-应变曲线都实现了较好地吻合，在应变范围6%内，两种技术得到的应力-应变曲线基本吻合，沿±45°方向拉伸的剪切应力-剪切应变曲线可以获得较好稳定的力学性能测试结为体育器械用三维机织复合材料±45°方向拉伸的力学性能测试结果。可见，5组试样的剪切模量和极限剪切强度差异性较小，剪切模量平均值为5.395GPa、极限剪切强度为75.587MPa。粘结位置出现了碳纤维增强复合板的层间剪切破坏，且夹头位置的碳纤维增强复合板也出现了断裂，而其它试件则出现了非粘结区域的碳纤维增强复合板断裂破坏。
结语
且不同温度交变次数下碳纤维增强复合材料的破坏模式都主要表现为碳纤维复合材料与钢板界面的层间剪切破坏。塑料及复合材料在体育设施和运动器材中应用已经成为必然选择，要配合实际使用要求和规范落实对应的手段，以发挥材料的优势，维持开发工艺的基本水平，满足加工性能、成本管理以及应用体验等多元需求，助力全民体育事业的可持续发展。
参考文献
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