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石墨烯增强碳纤维复合材料制造超轻型滑雪板

发布时间:2023-05-29  浏览人数:

采用石墨烯添加剂,Folsom Custom Skis(福尔松定制滑雪板公司)改进并优化了碳纤维复合材料滑雪板,以实现更高的性能和更轻的重量。


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图1 Folsom Custom Skis专门为客户定制滑雪板。经过原型设计和测试,该公司与材料供应商Mito Material Solutions合作,使用石墨烯增强,重新设计了碳纤维复合材料滑雪板,制造了一种重量更轻,性能更高的滑雪板


福尔松定制滑雪板(美国科罗拉多州丹佛市)最近在其最新的超轻碳纤维复合旅游滑雪板中采用了石墨烯作为添加剂,并基于最初的原型设计和测试来重新设计滑雪板,以优化石墨烯的增强性能。


设计和制造高性能滑雪板

除了少量的库存零售产品外,福尔松的主要业务是设计和制造定制滑雪板,每种滑雪板都是根据客户的需求、风格和物理特征设计的。滑雪板的形状、尾部形状、弧度(滑雪板中心的厚度)和轮廓(滑雪板尖端和尾部的厚度)、弯曲度和材料都是由福尔松的团队从模具到成品设计和制造的。


通常,每个滑雪板由三种复合材料组合,以满足重量要求:90/10玻璃纤维/碳纤维混合材料、70/30玻璃纤维/碳纤维混合材料(重量稍轻)和100%碳纤维层压板(重量最轻)。复合层压板夹层结构核心由几种混合木材制成,该结构被设计以满足滑雪板所需的刚度、阻尼和整体性能。混合物中的其他材料包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、硫化橡胶、钢外边缘和带有装饰图形的尼龙共混物面板。在滑雪板中,玻璃纤维或碳纤维充当了“支撑物”,基于该结构性增加了强度。


在福尔松的工艺中,刀具首先在内部进行CNC加工。切割干燥的玻璃纤维或碳纤维织物,并且在铺层台上,技术人员用液体环氧树脂将它们浸润。这些材料被放置在模具中,并与木芯、侧壁、橡胶和顶板材料分层,每层之间都涂上环氧树脂。整个铺层是在特定的温度和压力下压缩成型的。所有这些材料都具有不同的热力学性质,对温度和湿度的反应也不同,这是滑雪板制造难点。


引入石墨烯增强

福尔松的100%碳纤维滑雪板一直是轻量级和高性能,但该公司一直不愿进入市场的超轻型滑雪板(一般为1700克或更轻),因其不愿牺牲性能、强度和稳定性来达到极致的减重效果。


在2020年,福尔松被介绍给Mito materials Solutions,这是一家混合材料供应商,包括功能化石墨烯添加剂E-GO(环氧化氧化石墨烯)。市场上有许多石墨烯材料,并有广泛的应用-复合材料,电池,塑料,粘合剂等。但E-GO产品线是专门开发的,以提高断裂韧性并减少环氧复合材料产品的分层。


E-GO可作为液体树脂的粉末添加剂或预浸料的喷雾剂使用,它被专门设计为混合材料,因此它与环氧树脂体系化学相容,与纤维在水平方向上相互作用。POSS是具有环氧官能团的纳米二氧化硅,通过将石墨烯和POSS结合在一起,以帮助石墨烯分散到聚合物基质中。


增强化学键,提高断裂韧性和降低分层风险是E-GO开发的主要目标。由于涉及石墨烯,其他如振动阻尼、导热性和导电性等优势也随之而来。E-GO也是第一个被石墨烯理事会授予验证的功能化石墨烯产品。


一代原型

2021年,福尔松制造了第一个石墨烯增强型滑雪板。将10克粉末形式的E-GO添加到福尔松现有滑雪板的环氧树脂中,该滑雪板使用90%玻璃纤维/10%碳纤维复合材料混合物制成。


福尔松遵循仔细和精确的制作过程,并进行机械测试和现场测试。首先,Folsom使用Arduino (New York, N.Y, U.S.)软件运行的驱动测试系统测试滑雪板的阻力和挠度。对于每一块滑雪板,测试系统将力拉到滑雪板的中心,以测量它在静态重量下的偏转程度。通过测试比较石墨烯增强滑雪板和常规滑雪板,得到的初步结果是添加石墨烯的滑雪板更轻,更坚固,并提供了特别有效的阻尼性能——减少了滑雪者在崎岖地形上感受到的“颤振”或振动。经验证,少量的石墨烯可以显著提高机械性能,合适同时需要轻重量和高性能的滑雪板应用制造。


此外,工艺过程手动称重和加入E-GO粉末,在制造过程中增加了额外的步骤和额外的变量。使用粉末添加剂可能有溢出的风险,手工混合存在不一致以及增加工艺时间。


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图2 向复合材料中加入石墨烯。福尔松的技术人员测量出10克E-GO到环氧树脂中,该环氧树脂被添加到90%玻璃纤维/10%碳纤维织物中,与其他材料一起铺层


二次设计

福尔松之前的100%碳纤维滑雪板是其最轻的选择,但根据滑雪板的形状,每个滑雪板的重量仍可能超过1800或2300克,因为福尔松不愿意通过使更薄更轻滑雪板来损害滑雪板的稳定性和强度。相比之下,市场上的其他滑雪板每板重量仅为1200克。


E-GO的加入带来了轻量化的机会,提高了滑雪板的强度和韧性,使某些原始材料不再需要。因此,福尔松重新设计了碳纤维复合滑雪板的材料组成,以去除任何不必要的材料层。材料的变化导致整个滑雪板减少了高达300克的重量。


除了减轻重量外,新一代滑雪板与福尔松以前的滑雪板相比还具有其他优势,例如更高的强度,更强大的性能,更好的减震和降低分层风险,因为E-GO促进了材料与增强型环氧树脂之间的更好粘合。滑雪板最常见的故障之一是由恶劣的条件和温度带来的分层。E-GO增强型滑雪板具有更强的结合力,并且具有更少的分层风险。


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图3 重新设计滑雪板以减轻重量


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图4 福尔松的UltraLite滑雪板