本發(fā)明涉及運動器材，尤其涉及一種纖維復合材料球棒及其制備方法。

背景技術：

1、棒球作為一項體育運動項目，因其高超的技巧性和強烈的刺激性，吸引了大量愛好者的參與。棒球棒是一種常見的運動器材，其性能直接影響到運動員的比賽表現。因此，一根優(yōu)秀的球棒必須具備輕量化、高剛性、優(yōu)異彈性和良好的吸震性能，同時，其表面還必須能夠承受高速球擊打帶來的巨大沖擊力量。

2、目前，棒球運動中廣泛使用的棒球棒主要分為木制、金屬和纖維增強三類。其中，纖維增強材料具有輕量化、高強度和較小的振動等特點，故纖維復合材料球棒成為主要使用的棒球棒之一。但是，目前的纖維復合材料球棒僅由纖維材料制備導致棒球棒的剪切性能較差，產品的使用壽命很短，性價比不高；而且棒球棒的制備成本較高，維護較為復雜，并且纖維復合材料球棒相對脆弱，容易受到外界沖擊而產生裂紋或損壞。

3、為了解決上述技術問題，現有技術提出通過以下方法進行制備：一是利用纖維與塑料結合，通過將纖維束預先浸漬上熔融的熱塑性塑料，然后以預定方向纏繞于一具有球棒形狀的芯模上以形成外部殼層，最后再將該芯模取出并進行適當的修飾即可得到一棒球棒，但是這種技術制作的棒球棒生產效率低，固化溫度不一致，各層貼合不緊。二是利用熱塑性塑料為基材，以纖維物質為增強材料，先取用一耐高溫且具有彈性的內管，于該內管表面上包覆一層熱塑性塑料基材層，再繞一層纖維增強層，如此重復，以形成一具有層合狀外部殼層的管狀物，將該管狀物置入模具中固化成型，該技術制作的棒球棒減震效果較差，并且制作效率很慢，不良率也較高。

技術實現思路

1、為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種纖維復合材料球棒及其制備方法。

2、本發(fā)明的一種纖維復合材料球棒及其制備方法是通過以下技術方案實現的：

3、本發(fā)明的第一個目的是提供一種纖維復合材料球棒的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟1，制備預浸料：

5、將碳纖維干絲進行預熱，得到預熱后的碳纖維干絲；將樹脂粉末沉積于預熱后的碳纖維干絲表面，得到預浸料。

6、需要說明的是，本發(fā)明以碳纖維干絲作為碳纖維芯棒的主要制備材料，使得本發(fā)明的碳纖維芯棒為軟性棒體，具有減震作用。且本發(fā)明通過利用未加熱的樹脂粉末通過靜電作用吸附于預熱后的碳纖維干絲上，以在預熱后的碳纖維干絲表面沉積一層樹脂粉末，得到預浸料。

7、本發(fā)明未對樹脂粉末進行加熱處理，不僅縮短了預浸料后續(xù)進行干法纏繞的纏繞周期，降低了工藝難度，還有效降低了預浸料的成本，還解決了預浸料的儲藏問題。

8、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，通過將碳纖維干絲預熱至88℃~92℃，以確保樹脂能夠充分吸附在纖維，并在后續(xù)的固化過程中形成穩(wěn)定的復合材料結構的作用。

9、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，樹脂粉末的平均粒徑為6μm~10μm，以便于使得樹脂粉末能夠均勻沉積于碳纖維干絲表面。

10、在本發(fā)明一些更優(yōu)選的實施例中，由于需要采用靜電粉末涂層技術沉積樹脂粉末，采用的樹脂粉末需要具備適當的流動性和均勻性，故本發(fā)明采用的樹脂粉末的黏度為0.2pa·s~0.3?pa·s，以便在后續(xù)的加熱過程中保持良好流動性嵌入纖維中。

11、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述碳纖維干絲的平均直徑為5μm~10μm。

12、本發(fā)明為了在降低對碳纖維損傷的基礎上，實現將樹脂粉末沉積于預熱后的碳纖維干絲表面，在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，采用靜電粉末涂層技術在連續(xù)纖維表面沉積帶電的樹脂粉末，同時采用靜電粉末涂層技術還可以通過增加帶電助劑從而降低粉末表面電阻，改善靜電噴涂效果。由于靜電粉末涂層技術屬于本領域的常用技術手段，本領域技術人員應當知曉，故本發(fā)明不再贅述，只要實現在碳纖維干絲表面形成沉積厚度為30μm~50μm即可。

13、步驟2，制備碳纖維芯棒前驅體：

14、選擇所需模具，將所述預浸料采用螺旋纏繞的方式纏繞于所述模具表面，以將所述模具覆蓋完全，得到碳纖維芯棒前驅體。

15、需要說明的是，本發(fā)明根據實際所需的球棒尺寸，選擇相應尺寸的芯棒模具即可。

16、本發(fā)明通過將預浸料直接螺旋纏繞于所述模具表面，并且將模具覆蓋完全，以確保能夠形成所需形狀的芯棒結構，以便于通過后續(xù)固化處理形成由握把部、連接部和擊球減震部一體成型且內部中空的碳纖維芯棒。相比于本領域常用的球棒而言，本發(fā)明的碳纖維芯棒的中空結構的設置大大降低了球棒的重量，增加了球棒的揮動靈活性，同時還能夠提高球棒的減震性能。

17、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，在進行螺旋纏繞時，所述螺旋纏繞的纏繞張力為8n~20n，纏繞速度為15000mm/min~18000mm/min，纏繞角度為54°~56°，其中纏繞層數不作具體限制，根據實際采用的碳纖維干絲的尺寸進行選擇，只要確保最終形成的纏繞厚度為2mm~3.5mm即可。在本發(fā)明另一些優(yōu)選的實施例中，在進行螺旋纏繞時，所述螺旋纏繞的纏繞層數為5層~7層。

18、步驟3，粘貼玻璃纖維布：

19、在所述碳纖維芯棒前驅體的表面粘貼若干層玻璃纖維布，以在所述碳纖維芯棒前驅體的表面形成玻璃纖維布層，得到球棒主體。

20、需要說明的是，本發(fā)明通過在碳纖維芯棒前驅體的表面粘貼若干層玻璃纖維布，以通過若干層玻璃纖維布與碳纖維芯棒緊密貼合，從而在碳纖維芯棒前驅體的表面形成玻璃纖維布層，以便于在后續(xù)過程中，二者能夠充分復合，進而實現在碳纖維芯棒表面包裹復合玻璃纖維布層，以通過玻璃纖維布層實現提高碳纖維芯棒的強度。

21、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，通過以下步驟實現在碳纖維芯棒前驅體的表面粘貼一層玻璃纖維布：使用粘貼膠進行粘貼，均勻涂抹粘貼膠后用滾筒刷或毛刷沿纖維方向多次涂刷，以確保膠水充分浸透玻璃纖維布，在前一層膠液達到指觸干燥狀態(tài)后立即進行下一層的粘貼。其中，需要強調的是，在粘貼過程中保持通氣使得玻璃纖維布與碳纖維芯棒緊密貼合，防止出現氣泡，以避免氣泡影響后續(xù)固化處理過程中，玻璃纖維布與碳纖維芯棒的結合效果。其中，本發(fā)明采用的所述粘貼膠為環(huán)氧樹脂膠、聚氨酯膠和聚合物砂漿中的任意一種。在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，采用的粘貼膠為環(huán)氧樹脂膠，本發(fā)明不限制具體的環(huán)氧樹脂膠類型，采用本領域常用的環(huán)氧樹脂膠即可，故在此不再贅述。

22、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，采用的所述玻璃纖維布的厚度為0.2mm~0.4mm，且所述玻璃纖維布的粘貼層數為5層~7層。

23、步驟4，包覆環(huán)氧樹脂層：

24、通過真空導流成型工藝，在所述球棒主體表面浸潤一層環(huán)氧樹脂膠液；隨后進行固化處理，以使浸潤的環(huán)氧樹脂膠液固化形成環(huán)氧樹脂層。

25、需要說明的是，本發(fā)明通過在球棒主體表面浸潤一層環(huán)氧樹脂膠液后進行固化處理，在固化處理過程中，預浸料中的樹脂粉末熔化后能夠實現將碳纖維芯棒和玻璃纖維布緊密粘貼在一起，有效提高碳纖維芯棒和玻璃纖維布的復合效果。同時，球棒主體表面浸潤一層環(huán)氧樹脂膠液也會輔助預浸料中的樹脂粉末，進一步提高碳纖維芯棒和玻璃纖維布的復合效果，提高了球棒的結構穩(wěn)定性，從而大大降低了球棒分層的隱患，提高了球棒的強度。此外，固化形成的環(huán)氧樹脂層具有優(yōu)良的力學性能，能夠進一步提高球棒的力學性能。

26、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述真空導流成型工藝通過以下步驟進行：將所述球棒主體置入球棒成型模具中，加熱至55℃~65℃；隨后，將球棒成型模具的模腔內抽真空；再注射環(huán)氧樹脂膠液至環(huán)氧樹脂膠液在所述球棒成型模具的模腔內的體積填充率≥99.5％，以使環(huán)氧樹脂膠液浸潤球棒主體。

27、其中，在本發(fā)明一些更優(yōu)選的實施例中，在注射所述環(huán)氧樹脂膠液時，注射壓力為0.6mpa~0.7mpa，注射速度為900ml/min~1000?ml/min。

28、在本發(fā)明一些更優(yōu)選的實施例中，將球棒成型模具的模腔內抽真空至真空度≤70kpa。

29、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述環(huán)氧樹脂膠液通過以下步驟制得：將液體環(huán)氧樹脂與固化劑按照等質量比混勻，得到環(huán)氧樹脂液；將環(huán)氧樹脂粉末與所述環(huán)氧樹脂液按照1.8~2.2:1的質量比混合，得到所述環(huán)氧樹脂膠液，從而確?；旌衔锏某尚唾|量和適應不同環(huán)境條件的需求，以實現環(huán)氧樹脂膠液混合均勻的目的。其中，在本發(fā)明一些更優(yōu)選的實施例中，采用的液體環(huán)氧樹脂為環(huán)氧樹脂af-4149a，采用的固化劑為af-4149b。

30、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述環(huán)氧樹脂粉末的平均粒徑為6μm~10μm。在本發(fā)明一些更優(yōu)選的實施例中，所述環(huán)氧樹脂粉末的黏度為0.2?pa·s~0.3?pa·s，以使得采用的環(huán)氧樹脂粉末具備適當的流動性和均勻性，能夠在后續(xù)的加熱過程中保持良好流動性嵌入纖維中。

31、在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述固化處理通過以下步驟進行：先于95℃~105℃下固化0.8h~1.2h，再于175~185℃下固化0.4h~0.6h，以增強材料的耐久性。

32、步驟5，脫模，得到所述纖維復合材料球棒。

33、本發(fā)明的第二個目的是提供一種上述纖維復合材料球棒的制備方法制備的纖維復合材料球棒。

34、需要說明的是，本發(fā)明制備的纖維復合材料球棒包括碳纖維芯棒，以及所述碳纖維芯棒表面由內而外依次同軸包覆的玻璃纖維布層和環(huán)氧樹脂層。

35、需要說明的是，本發(fā)明中的碳纖維芯棒包括握把部、連接部和擊球減震部，握把部、連接部和擊球減震部一體成型設置。本發(fā)明的碳纖維芯棒的材質為碳纖維，使得本發(fā)明的碳纖維芯棒為軟性棒體，具有減震作用。且本發(fā)明通過將所述碳纖維芯棒設置為中空結構，使得本發(fā)明的纖維復合材料球棒相比于本領域常用的球棒而言大大降低了球棒的重量，增加了球棒的揮動靈活性，同時還能夠提高球棒的減震性能。

36、本發(fā)明通過在具有中空結構的碳纖維芯棒表面包覆一層玻璃纖維布，以通過包覆的玻璃纖維布層提高球棒的強度。

37、本發(fā)明通過在玻璃纖維布層表面進一步包裹一層環(huán)氧樹脂層，以通過形成的環(huán)氧樹脂層在確保球棒具有優(yōu)異的減震效果的基礎上，進一步增強球棒的強度。

38、與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

39、本發(fā)明以碳纖維干絲作為碳纖維芯棒的主要制備材料，使得本發(fā)明的碳纖維芯棒為軟性棒體，具有減震作用。且本發(fā)明通過利用未加熱的樹脂粉末通過靜電作用吸附于預熱后的碳纖維干絲上，以在預熱后的碳纖維干絲表面沉積一層樹脂粉末，得到預浸料。隨后，本發(fā)明通過將預浸料直接螺旋纏繞于所述模具表面，并且將模具覆蓋完全，以確保能夠形成所需形狀的芯棒結構，以便于通過后續(xù)固化處理形成由握把部、連接部和擊球減震部一體成型且內部中空的碳纖維芯棒。相比于本領域常用的球棒而言，本發(fā)明的碳纖維芯棒的中空結構的設置大大降低了球棒的重量，增加了球棒的揮動靈活性，同時還能夠提高球棒的減震性能。而且，本發(fā)明用預浸料在模具上進行纏繞，不僅有效的降低了預浸料的成本，還解決了預浸料的儲藏問題，并且干法纏繞的周期更短，工藝難度也較低。此外，而且使用該預浸料進行纏繞可以有效的解決濕法纏繞中產品性能差，制備環(huán)境差的問題，預浸料的優(yōu)良性能使得棒球棒的使用壽命大幅上升。并且預浸料上吸附的樹脂粉末和真空導流成型中注射的環(huán)氧樹脂在加熱固化后可以將碳纖維芯棒和玻璃纖維布緊密的粘貼在一起，大大的降低了球棒分層的隱患。然后，本發(fā)明通過在碳纖維芯棒前驅體的表面粘貼若干層玻璃纖維布，以通過若干層玻璃纖維布與碳纖維芯棒緊密貼合，從而在碳纖維芯棒前驅體的表面形成玻璃纖維布層，以便于在后續(xù)過程中，二者能夠充分復合，進而實現在碳纖維芯棒表面包裹復合玻璃纖維布層，以通過玻璃纖維布層實現提高碳纖維芯棒的強度。最后，本發(fā)明通過在球棒主體表面浸潤一層環(huán)氧樹脂膠液后進行固化處理，在固化處理過程中，預浸料中的樹脂粉末熔化后能夠實現將碳纖維芯棒和玻璃纖維布緊密粘貼在一起，有效提高碳纖維芯棒和玻璃纖維布的復合效果。同時，球棒主體表面浸潤一層環(huán)氧樹脂膠液也會輔助預浸料中的樹脂粉末，進一步提高碳纖維芯棒和玻璃纖維布的復合效果，提高了球棒的結構穩(wěn)定性，從而大大降低了球棒分層的隱患，提高了球棒的強度。此外，固化形成的環(huán)氧樹脂層具有優(yōu)良的力學性能，能夠進一步提高球棒的力學性能。

40、本發(fā)明的制作方法的制作過程簡單，先用碳纖維干絲吸附樹脂粉末制備預浸料，然后緊接著用預浸料纏繞形成碳纖維芯棒，碳纖維芯棒為中空結構，可減輕球棒的重量并增加揮動時的靈活性，還具有減震作用。然后將玻璃纖維布粘貼在碳纖維芯棒上形成纖維復合材料球棒主體，最后將球棒主體置于成型模具中真空導流環(huán)氧樹脂，固化成型即可，工序少，制造所需要的工時短，生產效率高；真空導流的環(huán)氧樹脂和預浸料中的樹脂粉末能使纖維復合材料球棒主體充分浸潤環(huán)氧樹脂，使碳纖維芯棒與玻璃纖維布彼此粘合牢固，以增強球棒的強度，并確保了球棒使用時的最佳減震功能；利用該種制備方法中所產生不良品的比率極小，大大提高了本發(fā)明中纖維復合材料球棒的良品率，還有效的降低了生產成本。

41、本發(fā)明的制作方法只需要進行一次固化，一次性固化簡化了生產流程這不僅提高了生產效率，還確保了結構的堅固可靠。并且一次性固化易于實現自動化生產，適合大批量生產。同時一次性固化可以確保產品的一致性，從而提高了最終產品的質量。相比于一次固化，多次固化對材料的影響是多方面的，多次固化可能導致復合材料的拉伸強度和壓縮強度下降，并且多次固化會導致材料變得過于脆硬，使其更容易在壓力下開裂或斷裂。并且多次固化會影響材料的微觀結構，使得固化過程中形成的交聯(lián)密度不均，可能導致材料內部應力較大。同時過度固化會導致有機材料降解，從而增加脆性并降低材料的可靠性。本發(fā)明提出的纖維復合材料球棒使用一次固化不僅縮短了制造所需要的時間，還保證了纖維復合材料球棒的優(yōu)異性能。

42、本發(fā)明制備的纖維復合材料球棒由中空的碳纖維芯棒、玻璃纖維布、環(huán)氧樹脂層復合構成，球棒整體重量較輕，并且碳纖維芯棒為中空結構，正常球棒的重量為879g~964g，本發(fā)明制備的纖維復合材料球棒重量為736g±14g，該球棒比正常球棒的重量輕了16％~21％。中空輕質的結構增加揮動時的靈活性，還具有減震作用。在纖維復合材料球棒主體外層灌封的環(huán)氧樹脂，固化后形成的環(huán)氧樹脂層具有優(yōu)良的力學性能，而且環(huán)氧樹脂與預浸料中的樹脂粉末加熱固化后將碳纖維芯棒和玻璃纖維布充分浸潤使得彼此緊密貼合，結構非常穩(wěn)固，固化成型后使得球棒的外形完整、美觀，沒有接縫，不易斷裂，確保了本發(fā)明中纖維復合材料球棒使用時的最佳減震功能。

43、本發(fā)明的纖維復合材料球棒充分利用了碳纖維和玻璃纖維的優(yōu)點，并且在制備過程中所使用的原料只有碳纖維、玻璃纖維和環(huán)氧樹脂，使本發(fā)明提出的纖維復合材料球棒重量較輕、整體結構強度高、堅固耐用，不易斷裂或凹損，既具有金屬球棒的優(yōu)異擊球性能，又具有木質球棒一樣的舒適打感，且其具有很好的減震功能，不會產生劇烈震動和刺痛，擊球感覺非常舒適，擊球性能佳。