CN108081714B - 一种粉末涂层复合材料单杠 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种体育器材，特别涉及一种粉末涂层复合材料单杠，包括横向杠体，所述横向杠体从内向外依次包括高韧性材料区、纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒和表面功能层；所述高韧性材料区填充在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒内部，高韧性材料区位于横向单杠中心内层，高韧性材料区由高韧性材料填充而成；所述表面功能层通过胶黏剂粘结在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒上，表面功能层由耐磨材料组成。

Description

一种粉末涂层复合材料单杠

技术领域

本发明涉及一种体育器材，特别涉及一种粉末涂层复合材料单杠。

背景技术

国内外目前的常规竞技用单杠多为实心金属圆棒,单杠结构的刚度和吸能减震性能调整困难，易给运动员的关节造成损伤，且金属圆棒制品中的夹杂、收缩裂纹等缺陷难以避免，使得金属圆棒在长时间使用过程中，这些缺陷造成的裂纹容易扩展使得整个单杠结构发生突然断裂，给运动员的生命健康带来了巨大的威胁。市场上也有一些产品采用低碳钢镀铬制作单杠，但铬属有毒金属，长期使用对运动员身体健康不利。而先进纤维基复合材料耐疲劳，抗裂纹扩展能力大，具有刚度、阻尼减震性能可设计的优良特点，克服了金属阻尼性能不可调的缺点，因此用其制作单杠安全系数高，且制作的单杠原材料控制方便，性能一致性好，有利于比赛的公平性。

除此之外，目前单杠与杠头的装配方式也比较单一，单杠与杠头之间的应力、牢固度等也是影响安全的因素之一，对于这方面市面上很少有单杠制造商考虑。

发明内容

本发明要解决的问题是克服背景技术的不足，提供一种粉末涂层复合材料单杠。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种粉末涂层复合材料单杠，包括横向杠体，所述横向杠体从内向外依次包括高韧性材料区、纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒和表面功能层；所述高韧性材料区填充在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒内部，高韧性材料区位于横向单杠中心内层，高韧性材料区由高韧性材料填充而成；所述表面功能层通过胶黏剂粘结在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒上，表面功能层由耐磨材料组成。

上述横向杠体与杠头的装配方式为：与横向杠体连接的杠头上打有深孔，深孔开口端设有倒圆角或卸载槽，横向杠体的端部插入杠头深孔内并通过销钉与杠头连接在一起，横向杠体与杠头通过胶黏剂进一步加固连接；所述杠头的外端端部设有垂直于杠头的圆形连接口，圆形连接口所在的杠头设有一斜切面，杠头通过销钉与下方竖向杠体连接。

所述高韧性材料区填充的高韧性材料为超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维、高强度碳纤维、高强度碳纤维增强热固性树脂基复合材料、钛丝中的一种或几种。

所述纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒由碳纤维、碳纤维编织布、碳纤维单向预浸料中的一种或几种制作而成。

所述纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒的弹性模量为150GPa-260GPa，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒的纤维体积含量为45%-80%，其中周向纤维占纤维总含量的0-10%。

所述高韧性材料区的直径为0-10mm。

所述胶黏剂中填充微米级金属粉或陶瓷颗粒。

所述表面功能层为金属层或陶瓷层。

所述金属层由不锈钢、钛合金、银、金中的一种或几种组成。

所述倒圆角半径大于1mm，卸载槽的深度大于3mm。

本发明制作的粉末涂层复合材料单杠，具有耐疲劳、舒适性强、抗裂纹扩展安全系数高、吸能减震性能好、防止摔伤运动员的特点，即使当横向杠体外部突然发生断裂时，其内部的高韧性材料区也能进一步起到保护作用，安全性比现有产品大大提高；另外本发明的横向杠体制作时原材料、工艺控制方便，产品性能一致性好，保证了比赛的公平性。除此之外，本发明制作的横向杠体与杠头装配采用了倒圆角或卸载槽，有效减少了横向杠体与杠头之间的接触应力，进一步增强了安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明横向杠体与杠头装配方式的结构示意图。

图3为本发明横向杠体与杠头装配方式的另一种结构示意图。

图中，1纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒，2表面功能层，3胶黏剂，4高韧性材料区，5圆形连接口，6杠头，7销钉，8倒圆角，9卸载槽，10深孔，11横向杠体，12斜切面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1：

使用M40级碳纤维，外包覆面密度为50-200g/㎡的T700级碳纤维编织布，最内层高韧性材料，本实施例优选高韧性材料为芳纶纤维，然后加入热固性环氧树脂，添加内脱模剂后经拉挤或模压工艺生产出纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和其内部的高韧性材料区4，其中制作的纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1中的纤维体积含量为45%-75%，其中周向纤维占纤维总含量的0-10%，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1的弹性模量在150GPa-260GPa之间。然后纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1经喷砂、抛光或打磨等处理方法粗化表面，使用布沾取溶剂清洗纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1表面、晾干备用。在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1外表面包覆表面功能层2，表面功能层2由耐磨材料制成，表面功能层2通过胶黏剂3粘结在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1上，本实施例优选的，表面功能层2为金属层，所述金属层为微米级金属粉末，然后加入环氧树脂，形成环氧树脂胶膜作为胶黏剂3，加热固化后，经表面研磨、抛光处理形成表面具有金属光泽的横向杠体11。

实施例2：

使用M46级碳纤维、外包覆面密度为50-200g/㎡的T700级碳纤维编织布，最内层为高韧性材料，本实施例优选高韧性材料为芳纶纤维，然后加入热固性环氧树脂，添加脱模剂后经拉缠工艺生产出纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和其内部的高韧性材料区4，其中制作的纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1中的纤维体积含量为50%-75%，其中周向纤维占纤维总含量的5%-10%，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1的弹性模量在150GPa-260GPa之间。纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1经喷砂、抛光或打磨等处理方法粗化表面，使用布沾取溶剂清洗纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1表面，晾干备用。然后纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1一边旋转，一边使用静电喷涂的方法向纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1上交替喷涂环氧树脂胶黏剂、钛粉，或直接喷涂含有钛粉的环氧树脂胶黏剂，这里钛粉作为表面功能层2，胶黏剂3为环氧树脂胶黏剂，喷完后加热固化、随炉冷却后取出，经外圆磨磨削、砂纸研磨、抛光后形成横向杠体11。

实施例3：

使用M46级碳纤维、T700SC碳纤维单向预浸料和高强度碳纤维经卷管工艺制作出纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和其内部的高韧性材料区4，其中高强度碳纤维作为高韧性材料填充在高韧性材料区4，制作的纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1中的纤维体积含量为75%，其中周向纤维占纤维总含量的10%，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1的弹性模量在150GPa-260GPa之间。制作好的纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1经喷砂、抛光或打磨等处理方法粗化纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1表面，使用布沾取溶剂清洗纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1表面、晾干备用。使用线切割将薄壁不锈钢管切割为左右对称的半圆形，对内表面进行喷砂粗化、灰尘清理后，使用高强度环氧树脂胶黏剂将左右两半圆形不锈钢管粘结在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1上，然后使用含有微米级金属粉末的环氧树脂胶黏剂填充两不锈钢管半圆间的缝隙，固化、打磨、抛光圆滑即可获得横向杠体11。本实施例中薄壁不锈钢管作为表面功能层2，胶黏剂3为填充有微米级金属粉末的环氧树脂胶黏剂。

实施例4：

使用M46级碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料和钛丝在钢制模具中经加热加压成型出纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和其内部的高韧性材料区4，其中选取钛丝作为高韧性材料填充高韧性材料区4，制作的纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1中的纤维体积含量为45%，其中周向纤维占纤维总含量的5%，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1的弹性模量在150GPa-260GPa之间。纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1经去毛刺、喷砂、抛光或打磨等处理方法处理表面，使用布沾取溶剂清洗纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1表面、晾干备用。使用胶黏剂3在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1表面包覆一层厚0.02mm-0.2mm的金属箔，将纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1连同金属箔放入真空袋内经抽真空、加热固化后，然后使用含有金属粉末的环氧胶黏剂填充金属箔接口处的缝隙、加热固化后磨平、抛光形成横向杠体11。

实施例5：

使用M35级碳纤维和高强度玻璃纤维，然后加入添加导电粉末如碳纳米管、石墨烯或纳米炭黑的热固性树脂，添加脱模剂后经拉挤工艺生产出纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和其内部的高韧性材料区4，其中高强度玻璃纤维作为高韧性材料区4的材料填充，制作的纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1中的纤维体积含量为55%-80%，其中周向纤维占纤维总含量的2%-10%，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1的弹性模量在150GPa-260GPa之间。纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1表面经研磨、表面抛光后电镀一层0.05mm-0.2mm厚的钛合金形成横向杠体11。

实施例6：

使用M40级碳纤维和高强度碳纤维增强热固性树脂基复合材料经拉挤工艺制作出纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和其内部的高韧性材料区4，其中高强度碳纤维增强热固性树脂基复合材料作为高韧性材料区4的材料填充，制作的纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1中的纤维体积含量为80%，其中周向纤维占纤维总含量的8%，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1的弹性模量在150GPa-260GPa之间。纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1经表面喷砂、除尘除油后，喷涂添加有陶瓷颗粒的环氧树脂胶黏剂和碳化硅陶瓷涂层，碳化硅陶瓷涂层作为表面功能层2，添加有陶瓷颗粒的环氧树脂胶黏剂作为胶黏剂3。其中碳化硅陶瓷涂层中的碳化硅粒径小于50微米，碳化硅占碳化硅陶瓷涂层体积含量的35%-75%，多次喷涂直至符合要求。喷涂最终采用的各材料质量份数分别为：环氧树脂胶黏剂100份、防沉降剂10-20份、碳化硅100-400份。

上述实施例中，M40级、M35级、M46级、T700级、T700SC等均为行业标准，这里不再详细介绍它们所对应的产品参数。另外，上述各实施例中提到的一些制作工艺为现有技术，这里也不再对这些制作工艺进行赘述。

上述实施例中制作完成的横向杠体11，从内向外依次包括高韧性材料区4、纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和表面功能层2，如附图1所示，其中：高韧性材料区4填充在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1内部，高韧性材料区4位于横向杠体11中心内层，高韧性材料区4由高韧性材料填充而成，高韧性材料区4的直径控制在0-10mm之间为佳；所述表面功能层2通过胶黏剂3粘结在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1上，表面功能层2由耐磨材料组成。其中高韧性材料区4、纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒1和表面功能层2三部分的材料选择均有多种，上述实施例只列举了一部分，上述各实施例中的各材料选择、工艺方法均可以互换使用、组合，并不限于所在实施例。

本发明制作的横向杠体11与杠头6的装配方式为：在与横向杠体11连接的杠头6上打有深孔10，深孔10的长度在60-100mm之间为佳，深孔10开口端设有倒圆角8或卸载槽9，如附图2和3所示，倒圆角8或卸载槽9的作用为避免应力集中，可有效降低横向杠体11与杠头6的接触应力，其中倒圆角8的半径大于1mm，卸载槽9的深度大于3mm为佳。在横向杠体11端部外表面和深孔10内表面涂覆胶黏剂3，横向杠体11的端部插入杠头6深孔10内，横向杠体11与杠头6通过胶黏剂3连接，然后使用钻床钻孔，涂胶后装入间隙配合尺寸的销钉7，通过销钉7将横向杠体11与杠头6进一步连接在一起。在所述杠头6的外端端部设有垂直于杠头6的圆形连接口5，圆形连接口5所在的杠头6设有一斜切面12，杠头6通过销钉7与下方竖向杠体连接，附图2和3中未画出下方竖向杠体。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种粉末涂层复合材料单杠，包括横向杠体（11），其特征在于：所述横向杠体（11）从内向外依次包括高韧性材料区（4）、纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒（1）和表面功能层（2）；所述高韧性材料区（4）填充在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒（1）内部，高韧性材料区（4）位于横向单杠中心内层，高韧性材料区（4）由高韧性材料填充而成；所述表面功能层（2）通过胶黏剂（3）粘结在纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒（1）上，表面功能层（2）由耐磨材料组成；所述高韧性材料区（4）填充的高韧性材料为超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维、高强度碳纤维、高强度碳纤维增强热固性树脂基复合材料、钛丝中的一种或几种；所述纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒（1）由碳纤维、碳纤维编织布、碳纤维单向预浸料中的一种或几种制作而成，所述纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒（1）的弹性模量为150GPa-260GPa，纤维增强热固性树脂基复合材料圆棒（1）的纤维体积含量为45%-80%，其中周向纤维占纤维总含量的0-10%；所述表面功能层（2）为金属层或陶瓷层；所述高韧性材料区（4）的直径大于0mm、不高于10mm。

2.如权利要求1所述的粉末涂层复合材料单杠，其特征在于：所述横向杠体（11）与杠头（6）的装配方式为：与横向杠体（11）连接的杠头（6）上打有深孔（10），深孔（10）开口端设有倒圆角（8）或卸载槽（9），横向杠体（11）的端部插入杠头（6）深孔（10）内并通过销钉（7）与杠头（6）连接在一起，横向杠体（11）与杠头（6）通过胶黏剂（3）进一步加固连接；所述杠头（6）的外端端部设有垂直于杠头（6）的圆形连接口（5），圆形连接口（5）所在的杠头（6）设有一斜切面（12），杠头（6）通过销钉（7）与下方竖向杠体连接。

3.如权利要求1所述的粉末涂层复合材料单杠，其特征在于：所述胶黏剂（3）中填充微米级金属粉或陶瓷颗粒。

4.如权利要求1所述的粉末涂层复合材料单杠，其特征在于：所述金属层由不锈钢、钛合金、银、金中的一种或几种组成。

5.如权利要求2所述的粉末涂层复合材料单杠，其特征在于：所述倒圆角（8）半径大于1mm，卸载槽（9）的深度大于3mm。