网球器械用复合材料的粘结性能研究

高利军

(西安体育学院，陕西西安710068)

网球运动是一种优美而充满竞技性的体育运动，素有“贵族运动”之称，近些年来随着国民经济的快速提升和人们物质文化生活的不断丰富，国内喜爱网球的健身运动者越来越多，这也给网球器械领域带来了巨大的发展机遇。然而，在网球器械用复合材料的加工和生产过程中，具有不同物理和化学性能的材料组成的复合材料的粘结性能一直是影响网球器械质量的关键技术瓶颈[1-3]。这主要是因为传统胶接工艺通常会造成碳纤维/铝等复合材料的胶接强度偏低、胶接过程中产生溢胶等问题[4-5]，本文尝试在网球器械用碳纤维/铝复合材料胶接过程中施加超声机械振动的方法，考察了超声振动作用下胶接工艺参数对复合材料胶接性能的影响，结果可为高性能网球器械用复合材料的胶接工艺提供参考并具有一定的应用价值。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验基材为网球机械用碳纤维板（98mm×25mm× 2mm）和7075铝合金板（98mm×25mm×1mm），设置胶接区域的胶层尺寸为25mm×25mm×0.8mm，在进行胶接前对碳纤维和铝板进行200#砂纸打磨、清水和酒精清洗并吹干；所选择的胶粘剂为满足MIL-A-23941A标准的3M DP460胶粘剂。

1.2 试样制备

采用四因素五水平的正交试验法对网球器械用复合材料的胶接工艺进行优化，通过在胶接过程中施加超声振动的方法改善胶接质量，具体方案见表1，超声振动工艺参数包括振动时间、振动压力、振动位置和振幅。

表1 4因素5水平正交试验表Table 1 Four factors and five levels orthogonal test table

1.3 测试方法

采用美国MTS公司生产的MTS-810型液压伺服万能材料试验机对复合材料进行室温剪切强度测试，拉伸速率为5mm/min，结果取3根试样的平均值。

2 试验结果与分析

表2为网球器械用碳纤维/铝复合材料四因素五水平的正交试验结果，考核指标为胶接强度，表3中列出了正交试验极差分析结果。

表2 正交试验结果Table 2 Results of orthogonal test

表3 正交试验极差分析结果Table 3 Range analysis results of orthogonal test

从正交试验结果来看，振动时间、振动压力、振动位置和振幅都会对网球器械用碳纤维/铝复合材料的胶接强度产生影响，但是影响程度明显不同。当振动时间为7s、振动压力0.07MPa、振动位置9mm和振幅25μm时，复合材料的胶接强度为7.42MPa；当振动时间为21s、振动压力0.21MPa、振动位置45mm和振幅33μm时，复合材料的胶接强度为10.48MPa。可见，不同胶接工艺参数对复合材料胶接强度的影响较大。

表3中R反映了振动时间、振动压力、振动位置和振幅等工艺参数对胶接强度的影响大小，如果R值越大则表明对应工艺参数对胶接强度的影响越大，反之则越小[6-7]。正交试验极差分析结果表明，4种工艺参数对胶接强度的影响从大至小的顺序为：振动时间>振幅>振动压力>振动位置。从正交极差分析结果优化得到的网球器械用碳纤维复合材料的超声振动胶接工艺参数为：振动时间0.21s、振动压力0.35MPa、振动位置27mm、振幅57μm，此时碳纤维/铝复合材料具有较高的胶接强度。

表4为无振动的对照组和正交试验优化组的胶接强度，以进一步对比分析超声振动以及正交试验优化后碳纤维/铝复合材料的胶接强度。可见，无振动对照组的胶接强度平均值为7.10MPa，而经过正交试验优化后复合材料的胶接强度平均值达到10.86MPa，相较于无振动对照组提高了52.96%。可见，经过正交优化后的超声振动胶接工艺可以极大提升网球器械用碳纤维/铝复合材料的胶接强度。

表4 无振动对照组和正交试验优化组的胶接强度对比分析结果Table 4 Comparative analysis results of bonding strength between non vibration control group and orthogonal test optimization group

分别对无振动对照组和正交试验优化组试样破坏后的胶层截面形貌进行观察，结果如图1所示。对比分析可见，无振动对照组试样的胶层截面处存在明显的缝隙，而经过正交优化后试验组试样的胶层截面处缝隙很小，这主要是因为在超声振动作用下，胶接过程中的胶粘剂可以更好地在碳纤维/铝复合材料之间流动，从而填充缝隙、起到更好的润湿效果[8-9]，相应的胶接接头的剪切强度得到提升，且从表4的胶接强度测试结果可知，正交试验优化组试样的胶接强度分散性较小，胶接性能较为稳定。

图1 网球器械用碳纤维/铝复合材料的胶层截面形貌Fig.1 Cross section morphology of carbon fiber / aluminum composite for tennis instruments

3 结论

（1）当振动时间为7s、振动压力0.07MPa、振动位置9mm和振幅25μm时，复合材料的胶接强度为7.42MPa；当振动时间为21s、振动压力0.21MPa、振动位置45mm和振幅33μm时，复合材料的胶接强度为10.48MPa。

（2）从正交极差分析结果优化得到的网球器械用碳纤维复合材料的超声振动胶接工艺参数为：振动时间0.21s、振动压力0.35MPa、振动位置27mm、振幅57μm，此时碳纤维/铝复合材料具有较高的胶接强度。

（3）无振动对照组的胶接强度平均值为7.10MPa，而经过正交试验优化后复合材料的胶接强度平均值达到10.86MPa，相较于无振动对照组提高了52.96%。