乒乓球拍用复合材料的成形工艺与性能研究

张天羽，周文龙

（咸阳职业技术学院，陕西 咸阳712000）

前 言

碳纤维（CCF）增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料由于具有比强度高、比模量大以及高温稳定性和抗疲劳性能优越等特性[1]，而在兵乓球拍等体育器材中得到了广泛应用。然而，由于热塑性基体（聚醚醚酮）的黏度较高，在碳纤维复合材料制备过程中的浸润难度较大，如果成型工艺控制不当，很容易出现聚醚醚酮与碳纤维的浸润不充分以及出现聚醚醚酮溢出的现象[2]，造成最终碳纤维复合材料制品的力学性能降低。要想获得具有较高综合性能的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，改善二者在制备过程中的浸润性，并充分发挥二者的协同作用是值得研究的课题[3]。然而，直到目前为止，碳纤维（CCF）增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料的制备技术和相关设备被国外高度垄断，而国内在这方面的研究刚刚起步，成型工艺方面可供借鉴的报道较少[4]，具体工艺参数对碳纤维复合材料的拉伸性能和弯曲性能的影响规律仍不清楚。本文开展成型温度和成型压力对碳纤维复合材料力学性能的影响研究，结果将有助于碳纤维（CCF）增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料综合性能的提高，并推广其在兵乓球拍等领域的应用。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

试验原料为兵乓球拍用碳纤维复合材料CCF/PA6，其拉伸强度为1360MPa。采用人工铺层预成型后再进行模压[5]的方法制备兵乓球拍用碳纤维复合材料，成型制备示意图如图1。将碳纤维增强热塑性复合材料按0 度方向铺层后置于模具中，然后转入PMMA 型真空热压机中进行压制成型，成型温度控制在370～400℃、成型压力为2.3～7MPa、成型保压时间设定为18min。

1.2 实验仪器

MTS-810 型万能拉伸试验机，MTS 系统（中国）公司，10kN；MTS-43 型万能材料试验机，MTS 系统（中国）公司，10kN；JSM-7800F 型场发射扫描电镜，日本电子株式会社。

1.3 实验方法

根据ASTM D3039/D3039M-08《聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》，在MTS-810 型万能拉伸试验机上进行拉伸强度测试，拉伸速率为1.5mm/min，取3 个试样的拉伸性能平均值作为结果；根据ASTM D7264/D7264M-2007《聚合物基复合材料弯曲性能标准试验》方法，在MTS-43 型万能材料试验机上进行三点弯曲试样，加载头为Φ10mm 圆柱体，宽厚比为32∶1，取3 个试样的弯曲性能测试结果的平均值作为最终结果；拉伸断口形貌在JSM-7800F 型场发射扫描电镜上观察。

2 结果及讨论

设定成型压力和保压时间分别为4.8MPa 和18min，研究成型温度对碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量的影响，结果如图2。对比分析可知，成型温度为370℃时，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别为1.13GPa 和105GPa；随着成型温度的升高，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量都呈现先增加而后减小特征，在成型温度为380℃时取得弯曲强度和弯曲模量最大值，分别为1.51GPa 和112GPa，分别相较于成型温度为370℃时提高33.63%和6.67%。究其原因，这主要是因为成型温度的升高会使得PEEK 熔体黏度减小并更容易渗透到碳纤维中而使得二者的结合力增加[6]，弯曲强度会随之升高，但是如果成型温度过高，在4.8MPa 的成型压力下会有少量PEEK 逸出而造成弯曲性能降低的现象[7]，因此，从弯曲强度和弯曲模量角度来看，碳纤维复合材料适宜的成型温度为380℃。

图2 成型温度对复合材料弯曲强度（a）和弯曲模量（b）的影响Fig. 2 The effect of molding temperature on the bending strength（a）and bending modulus（b）of the composites

图3 成型压力对复合材料弯曲强度（a）和弯曲模量（b）的影响Fig. 3 The effect of molding pressure on the bending strength（a）and bending modulus（b）of the composites

设定成型温度和保压时间分别为380℃和18min，研究成型压力对碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量的影响，结果见图3。对比分析可知，成型压力为2.4MPa 时，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别为1.24GPa 和103GPa；随着成型压力的升高，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量都呈现先增加而后减小特征，在成型压力为4.7MPa 时取得弯曲强度和弯曲模量最大值，分别为1.82GPa 和124GPa，分别相较于成型压力为2.3MPa 时提高46.77%和20.39%。究其原因，这主要是因为成型压力的升高会使得PEEK 熔体与碳纤维间的缺陷减少[8]，弯曲强度会随之升高，但是如果成型压力过高，在7MPa 的成型压力下会出现PEEK 逸出的现象，此时碳纤维复合材料的弯曲性能会有所降低。综合而言，从弯曲强度和弯曲模量角度来看，碳纤维复合材料适宜的成型压力为4.7MPa。

设定成型压力和保压时间分别为4.7MPa 和18min，研究成型温度对碳纤维复合材料的拉伸强度的影响，结果如图4。对比分析可知，成型温度为370℃时，碳纤维复合材料的拉伸强度为1.23GPa；随着成型温度的升高，碳纤维复合材料的拉伸强度呈现先增加而后减小特征，在成型温度为380℃时取得拉伸强度最大值，为1.71GPa，相较于成型温度为370℃时提高39.02%。究其原因，这主要是因为成型温度的升高会使得PEEK 熔体黏度减小并更容易渗透到碳纤维中而使得二者的结合力增加[9]，拉伸强度会随之升高，但是如果成型温度过高，在4.7MPa 的成型压力下会有少量PEEK 逸出而造成碳纤维复合材料的拉伸强度降低，因此，从拉伸强度的角度考虑，碳纤维复合材料适宜的成型温度为380℃。

图4 成型温度对复合材料拉伸强度的影响Fig. 4 The effect of molding temperature on the tensile strength of the composites

设定成型温度和保压时间分别为380℃和18min，研究成型压力对碳纤维复合材料的拉伸强度的影响，结果如图5。对比分析可知，成型压力为2.3MPa时，碳纤维复合材料的拉伸强度为1.27GPa；随着成型压力的升高，碳纤维复合材料的拉伸强度呈现先增加而后减小特征，在成型压力为4.7MPa 时取得拉伸强度最大值，为1.71GPa，相较于成型压力为2.3MPa时提高34.65%。究其原因，这主要是因为成型压力的升高会使得PEEK 熔体与碳纤维间的缺陷减少，拉伸强度会随之升高[10]，但是如果成型压力过高，在7MPa 的成型压力下会出现PEEK 逸出的现象，此时碳纤维复合材料的拉伸性能会有所降低。综合而言，从拉伸强度角度来看，碳纤维复合材料适宜的成型压力为4.7MPa。

图5 成型压力对复合材料拉伸强度的影响Fig. 5 The effect of molding pressure on the tensile strength of the composites

设定成型温度和保压时间分别为380℃和18min，碳纤维复合材料的拉伸断口形貌如图6 所示。对比分析可见，当成型压力为2.3MPa 时，碳纤维复合材料的拉伸断口中有较多的碳纤维出现拔出现象，断口平整度较差，表明此时的碳纤维与PEEK 的结合力较差[11]，反映在拉伸性能上则表现为此时的拉伸强度较低，这与图4 的测试结果较为吻合；当成型压力增加至4.7MPa 时，碳纤维复合材料的拉伸断口较为平整，未见明显碳纤维拔出现象，表明此时的碳纤维与PEEK 的结合力较强，成型过程中的PEEK 可以对碳纤维起到很好的固定作用[12]，此时的拉伸强度较高，这与图4 的测试结果相吻合。

图6 碳纤维复合材料的拉伸断口形貌（a）2.3MPa（b）4.7MPa Fig. 6 The tensile fracture morphology of the carbon fiber composites（a）2.3MPa,（b）4.7MPa

3 结 论

（1）成型温度为370℃时，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别为1.13GPa 和105GPa；随着成型温度的升高，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量都呈现先增加而后减小特征，在成型温度为380℃时取得弯曲强度和弯曲模量最大值，分别为1.51GPa 和112GPa，分别相较于成型温度为370℃时提高33.63%和6.67%。

（2）成型压力为2.4MPa 时，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别为1.24GPa 和103GPa；随着成型压力的升高，碳纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量都呈现先增加而后减小的特征，在成型压力为4.7MPa 时取得弯曲强度和弯曲模量最大值，分别为1.82GPa 和124GPa，分别相较于成型压力为2.3MPa 时提高46.77%和20.39%。

（3）成型温度为370℃时，碳纤维复合材料的拉伸强度为1.23GPa；随着成型温度的升高，碳纤维复合材料的拉伸强度呈现先增加而后减小特征，在成型温度为380℃时取得拉伸强度最大值，为1.71GPa，相较于成型温度为370℃时提高39.02%。

（4）成型压力为2.3MPa 时，碳纤维复合材料的拉伸强度为1.27GPa；随着成型压力的升高，碳纤维复合材料的拉伸强度呈现先增加而后减小特征，在成型压力为4.7MPa 时取得拉伸强度最大值，为1.71GPa，相较于成型压力为2.3MPa 时提高34.65%。