CN111420375B - 一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，乒乓球拍包括有芯板、碳纤维层以及非晶合金层；该芯板主要为发泡材料；该碳纤维层包覆在芯板外；该非晶合金层包覆在碳纤维层外。本产品乒乓球拍表面为多层非晶合金薄带，具有弹性储能高、模量适中的特点，使得球拍底板在低冲击的时候也能迅速产生相应的形变，有利于控球，彻底解决了碳纤维乒乓球拍因为刚度过大而导致的控球性能差、手感差的弱点；而在受到大冲击时，非晶合金具有的高弹性储能可以更有效的将力量通过胶皮并最终传到乒乓球上，将击球效率提升30%以上，尤其适合弧圈球等进攻方法。

Description

一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍及其制备方法
技术领域
本发明涉及运动器材领域技术，尤其是指一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍及其制备方法。
背景技术
当前市面上的乒乓球拍底板仍然以轻质木材为主，其密度、弹性等性能适中，兼顾了灵活、控球、速度等的综合性能，也符合大众的消费水平，因而多年一直都是乒乓球拍底板的首选。通常，乒乓球拍的主选木材有阿尤斯木、林巴木、桐木、云杉、椴木、桧木、胡桃木等，性能各具特色。但是，各种不同的木材的性质差异较大，而且生长的地域、气候条件、雨水是否充裕(含水率)等自然因素都对木材的特性有很大影响；此外，木材在加工过程中的切割方式、木纹纹理的走向、色差、节疤、矿物线等都会对球拍的性能造成很大的影响，这些都严重影响了木质类球拍性能的一致性。
随着乒乓球水平的不断发展，木材弹性和强度不够的局限也逐渐凸显，已经满足不了击球速度更快、旋转更强的新需求。为此，多层层压木底板以及在多层层压板基础上加入弹性模量更高的碳纤维、芳基纤维、玻璃纤维等新材料夹层，成为乒乓球拍发展的一个新趋势。但是，这类新工艺，基本只是在原有木材的基础上进行改性，仅仅是对某些性能进行一定程度上的改良，而没有根本性的创新，尤其重量上受到木材材质密度偏大的局限，而无法进一步的降低重量，上述木材基材的乒乓球拍，横拍基本集中在90-95克，直拍集中在85-90克。
当前，为了进一步降低乒乓球拍的重量，提升乒乓球拍的操控灵活性及击球速度，当前也有厂家尝试将发泡芯材结合碳纤维的复合结构。其中，CN107415281A介绍了一种自膨胀成型的方法制备碳纤维乒乓球拍，其采用具有自行热膨胀的超低密度聚合物作为内部芯材，提供了塑形及支撑的功能，获得了重量非常轻的乒乓球拍产品。CN201710788184.6也提及了采用发泡填料及碳纤维一体成型一种乒乓球拍，获得一种弹性好、重量轻的乒乓球拍。但是，这类的材料及工艺，存在一个非常大的缺陷，在冲击较小的时候，球拍表面的碳纤维模量超过250GPa，导致其刚性过大，持球时间短，震动衰减时间长，震动反馈的时间长且散乱，导致搓球、摆短等技术手段的控球及手感均非常差；而在冲击较大的时候，低密度的芯材强度低，无法为表面的碳纤维层提供有效的支撑，导致扣杀、大力弧圈球等进攻方式的效率非常低。
非晶合金是一种具有长程无序、短程有序的独特原子排布结构的一种新材料，其拉伸强度可以达到1800-4000MPa甚至更高，而其弹性模量只有大约70-80GPa左右；更重要的是，其弹性储能(弹性比功)将超过2.3×107J/m3，而且弹性极限可达2％。此外，非晶合金的独特原子结构还使得其具有对应力缺口不敏感以及非常好的耐疲劳特性。因此，利用非晶独特的力学性能对碳纤维复合材料、水泥基复合材料等进行改性，是当前复合材料界的研究热点。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍及其制备方法，其能有效解决现有之碳纤维乒乓球拍因为刚度过大而导致的控球性能差、手感差的弱点。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，包括有芯板、碳纤维层以及非晶合金层；该芯板主要为发泡材料；该碳纤维层包覆在芯板外；该非晶合金层包覆在碳纤维层外，所述一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍的制备方法，包括有以下步骤：
(1)制备非晶合金薄带：采用甩带快淬的方法来制备非晶合金薄带；
(2)制备芯板：主要采用发泡材料制备出预型的芯板；
(3)贴上碳纤维纱：将质量百分比含有30-50％环氧树脂的碳纤维纱，按照交替90度的铺层变化模式包覆在芯板的外表面上，碳纤维纱为偶数层，以形成预型的碳纤维层；
(4)贴上非晶合金薄带：将非晶条薄带涂抹环氧树脂，环氧树脂的质量含量控制在20-30％，先与拍柄平行的方向，在球拍两面及拍柄上贴一层非晶合金薄带于碳纤维层的表面；然后再转换90°的方向，也就是垂直与球拍拍柄的方向，在球拍两面及拍柄上再贴一层非晶合金薄带，非晶合金薄带的总层数为偶数层，以形成预型的非晶合金层；
(5)入模具固化成型：将已经预型完毕的非晶合金层、碳纤维层、芯板复合结构的乒乓球拍预型件放入模具内，合模后加温到130-150℃并保温20-30分钟，冷却取出后得到乒乓球拍粗胚，将其打去毛边、抛光、喷漆后得到超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍。
优选的，所述芯板包括有主芯体和至少一子芯材，该主芯体的两侧面贯穿形成有安装孔，该子芯材嵌于安装孔中，子芯材包括有发泡芯体和包覆在发泡芯体外的碳纤维壳，碳纤维壳的两端均与碳纤维层一体成型连接形成工字型加强梁。
优选的，所述发泡材料为超低密度发泡材料或者混合了低沸点烷烃的具有二次发泡能力的高能胶类别发泡材料。
优选的，所述非晶合金薄带选用的弹性储能佳的锆基非晶合金，其配方内添加有过渡金属元素，按原子百分比计包括：30-70％的Zr、5-40％的Cu、5-30％的Ni、0-20％的Al以及0-10％的过渡金属元素。
优选的，将按照配方比例配好的各合金置于真空炉内多次反复熔炼以获得成分均匀的母合金，然后在真空环境下以铜辊为模具实现快速甩带，急速冷却后得到厚度40-50微米的非晶合金薄带，再根据实际工艺进行裁剪。
优选的，为了方便后续的粘贴工艺，用于球拍握柄区域的裁剪为5-10毫米宽度的非晶条薄带，而用于击球拍面区域的则裁剪为10毫米以上，或者整个拍面整体剪裁出来。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
(1)乒乓球拍表面为多层非晶合金薄带，具有弹性储能高、模量适中的特点，使得球拍底板在低冲击的时候也能迅速产生相应的形变，有利于控球，彻底解决了碳纤维乒乓球拍因为刚度过大而导致的控球性能差、手感差的弱点；而在受到大冲击时，非晶合金具有的高弹性储能可以更有效的将力量通过胶皮并最终传到乒乓球上，将击球效率提升30％以上，尤其适合弧圈球等进攻方法。
(2)乒乓球拍内形成有工字型加强梁，可以使得球拍正反两面形成一个有效的整体，大幅提高了球拍的结构强度，避免了当前碳纤维乒乓球拍由于发泡芯材强度不足而导致的大力击球时的后劲不足的致命弱点。
(3)由于乒乓球拍内采用了密度非常低的发泡材料，而主骨架采用了碳纤维复合材料，添加的非晶条薄带的厚度也仅有40-50微米的厚度，因此在满足击球性能要求的前提下，整个球拍底板的重量可以从传统木质横拍的90-95克、直拍的85-90克降到横拍的70-80克、直拍的65-75克，这大幅提升了球拍操控的灵活性。
(4)球拍握柄上也添加了非晶合金带，利用其弹性储能高、模量适中的特点，使得球拍在扣杀或者拉弧圈球等大力击球时，握柄受到弯矩力后其上面的非晶条带也能因为迅速形变而产生回弹力，这也能将球拍的击球效率提升5％以上，有别于传统的木质或者碳纤维球拍握柄。
附图说明
图1是本发明之较佳实施例中芯板的拼凑示意图；
图2是本发明之较佳实施例中贴非晶合金薄带的示意图；
图3是本发明之较佳实施例中制作完成后的截面示意图。
附图标识说明：
10、芯板 11、主芯体
111、安装孔 12、子芯材
121、发泡芯体 122、碳纤维壳
20、碳纤维层 30、非晶合金层
31、非晶合金薄带
具体实施方式
请参照图1至图3所示，其显示出了本发明之较佳实施例一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍的具体结构，包括有芯板10、碳纤维层20以及非晶合金层30。
该芯板10主要为发泡材料；该碳纤维层20包覆在芯板10外；该非晶合金层30包覆在碳纤维层20外。在本实施例中，所述芯板10包括有主芯体11和至少一子芯材12，该主芯体11的两侧面贯穿形成有安装孔111，该子芯材12嵌于安装孔111中，子芯材12包括有发泡芯体121和包覆在发泡芯体121外的碳纤维壳122，碳纤维壳122的两端均与碳纤维层20一体成型连接形成工字型加强梁，以增强球拍的整体强度，子芯材12可以为多个，不以为限；所述发泡材料为超低密度发泡材料(如PU、EVA等常见的发泡材料)或者混合了低沸点烷烃的具有二次发泡能力的高能胶类别发泡材料，以保持球拍的低重量。
本发明还公开了前述一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍的制备方法，包括有以下步骤：
(1)制备非晶合金薄带：采用甩带快淬的方法来制备非晶合金薄带31；所述非晶合金薄带31选用的弹性储能佳的锆基非晶合金，例如已经公开的锆铜镍铝体系，同时，为了进一步增大非晶的过冷度，优化其形成非晶的能力，其配方内添加有过渡金属元素，按原子百分比计包括：30-70％的Zr、5-40％的Cu、5-30％的Ni、0-20％的Al以及0-10％的过渡金属元素，例如：Zr63.7Cu17.15Ni9.8Al7.35Er2；将按照配方比例配好的各合金置于真空炉内多次反复熔炼以获得成分均匀的母合金，然后在真空环境下以铜辊为模具实现快速甩带，急速冷却后得到厚度40-50微米的非晶合金薄带，再根据实际工艺进行裁剪；为了方便后续的粘贴工艺，用于球拍握柄区域的裁剪为5-10毫米宽度的非晶条薄带，而用于击球拍面区域的则裁剪为10毫米以上，或者整个拍面整体剪裁出来。
(2)制备芯板：主要采用发泡材料制备出预型的芯板10。
(3)贴上碳纤维纱：将质量百分比含有30-50％环氧树脂的碳纤维纱，按照交替90度的铺层变化模式包覆在芯板的外表面上，碳纤维纱为偶数层，以确保实现力学性能的对称性，并以此形成预型的碳纤维层。
(4)贴上非晶合金薄带：将非晶条薄带涂抹环氧树脂，环氧树脂的质量含量控制在20-30％，先与拍柄平行的方向，在球拍两面及拍柄上贴一层非晶合金薄带于碳纤维层的表面；然后再转换90°的方向，也就是垂直与球拍拍柄的方向，在球拍两面及拍柄上再贴一层非晶合金薄带，非晶合金薄带的总层数为偶数层，以确保力学性能的对称性，一般4或者6层便可，并以此形成预型的非晶合金层。
(5)入模具固化成型：将已经预型完毕的非晶合金层、碳纤维层、芯板复合结构的乒乓球拍预型件放入模具内，合模后加温到130-150℃并保温20-30分钟，冷却取出后得到乒乓球拍粗胚，将其打去毛边、抛光、喷漆后得到超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍。
采用上述结构及制备方法，有如下特点：
(1)乒乓球拍表面为多层非晶合金薄带，具有弹性储能高、模量适中的特点，使得球拍底板在低冲击的时候也能迅速产生相应的形变，有利于控球，彻底解决了碳纤维乒乓球拍因为刚度过大而导致的控球性能差、手感差的弱点；而在受到大冲击时，非晶合金具有的高弹性储能可以更有效的将力量通过胶皮并最终传到乒乓球上，将击球效率提升30％以上，尤其适合弧圈球等进攻方法。
(2)乒乓球拍内形成有工字型加强梁，可以使得球拍正反两面形成一个有效的整体，大幅提高了球拍的结构强度，避免了当前碳纤维乒乓球拍由于发泡芯材强度不足而导致的大力击球时的后劲不足的致命弱点。
(3)由于乒乓球拍内采用了密度非常低的发泡材料，而主骨架采用了碳纤维复合材料，添加的非晶条薄带的厚度也仅有40-50微米的厚度，因此在满足击球性能要求的前提下，整个球拍底板的重量可以从传统木质横拍的90-95克、直拍的85-90克降到横拍的70-80克、直拍的65-75克，这大幅提升了球拍操控的灵活性。
(4)球拍握柄上也添加了非晶合金带，利用其弹性储能高、模量适中的特点，使得球拍在扣杀或者拉弧圈球等大力击球时，握柄受到弯矩力后其上面的非晶条带也能因为迅速形变而产生回弹力，这也能将球拍的击球效率提升5％以上，有别于传统的木质或者碳纤维球拍握柄。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，其特征在于：包括有芯板、碳纤维层以及非晶合金层；该芯板主要为发泡材料；该碳纤维层包覆在芯板外；该非晶合金层包覆在碳纤维层外，所述一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍的制备方法，包括有以下步骤：
（1）制备非晶合金薄带：采用甩带快淬的方法来制备非晶合金薄带；
（2）制备芯板：主要采用发泡材料制备出预型的芯板；
（3）贴上碳纤维纱：将质量百分比含有30-50%环氧树脂的碳纤维纱，按照交替90度的铺层变化模式包覆在芯板的外表面上，碳纤维纱为偶数层，以形成预型的碳纤维层；
（4）贴上非晶合金薄带：将非晶条薄带涂抹环氧树脂，环氧树脂的质量含量控制在20-30%，先与拍柄平行的方向，在球拍两面及拍柄上贴一层非晶合金薄带于碳纤维层的表面；然后再转换90°的方向，也就是垂直与球拍拍柄的方向，在球拍两面及拍柄上再贴一层非晶合金薄带，非晶合金薄带的总层数为偶数层，以形成预型的非晶合金层；
（5）入模具固化成型：将已经预型完毕的非晶合金层、碳纤维层、芯板复合结构的乒乓球拍预型件放入模具内，合模后加温到130-150℃并保温20-30分钟，冷却取出后得到乒乓球拍粗胚，将其打去毛边、抛光、喷漆后得到超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍。
2.如权利要求1所述的一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，其特征在于：所述芯板包括有主芯体和至少一子芯材，该主芯体的两侧面贯穿形成有安装孔，该子芯材嵌于安装孔中，子芯材包括有发泡芯体和包覆在发泡芯体外的碳纤维壳，碳纤维壳的两端均与碳纤维层一体成型连接形成工字型加强梁。
3.如权利要求1所述的一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，其特征在于：所述发泡材料为超低密度发泡材料或者混合了低沸点烷烃的具有二次发泡能力的高能胶类别发泡材料。
4.如权利要求1所述的一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，其特征在于：所述制备方法中非晶合金薄带选用的弹性储能佳的锆基非晶合金，其配方内添加有过渡金属元素，按原子百分比计包括：30-70%的Zr、5-40%的Cu、5-30%的Ni、0-20%的Al以及0-10%的过渡金属元素。
5.如权利要求4所述的一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，其特征在于：制备方法中将按照配方比例配好的各合金置于真空炉内多次反复熔炼以获得成分均匀的母合金，然后在真空环境下以铜辊为模具实现快速甩带，急速冷却后得到厚度40-50微米的非晶合金薄带，再根据实际工艺进行裁剪。
6.如权利要求5所述的一种超轻非晶增强碳纤维乒乓球拍，其特征在于：制备方法中为了方便后续的粘贴工艺，用于球拍握柄区域的裁剪为5-10毫米宽度的非晶条薄带，而用于击球拍面区域的则裁剪为10毫米以上，或者整个拍面整体剪裁出来。
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