无处不在的碳纤维:高尔夫球杆

目前碳纤维复合材料已经广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车工业、环境能源、土木工程等领域,其应用范围几乎是无处不在。

1、高尔夫球杆的特性需求

高尔夫球杆必须能够“将球精确地运向所需的方向”。若要增加“承载力”,必须使球杆尽可能轻,以增加头部速度并提高球的初始速度,而要做到这一点,必须使杆身更轻。在球杆轻量化的过程中,一个关键的挑战是保持足够的强度来防止断裂。

目前东丽公司在Torayca?碳纤维品牌下,已经开发出24  tf/mm?标准模量高强度碳纤维和30 tf/mm?中模量高强度碳纤维,并开发出了能够提供良好弯曲强度的直线材料。

此外,近年来还出现了一种轻型轴的需求,这种轴不仅具有抗弯强度,而且由于“抗扭强度不足”而抗断裂,这使得碳纤维制造商提高了偏置层中高弹性材料的延伸率和强度,以获得更高的性能。

至于“方向性”的其他要求性能,重要的是使轴具有“抗扭转(提高扭转刚度)”的性能,以防止由于轴的中心轴与头部的击球点不匹配时发生的轴扭转而导致球的方向性下降。

当分层角为0°或90°时,抗扭刚度最低,当该角度为±45°时,抗扭刚度最高;因此,将±45°的角度作为“减少捻度措施”纳入分层中,弹性模量为tf/mm?的高弹性纱线已成为标准抗扭曲偏压材料。目前,使用高弹性模量为46 tf/mm?或更高的碳纤维实现了与钢轴等效的扭转特性。

2、碳纤维在高尔夫球杆应用发展

从历史上看,高尔夫球杆最初使用以高强度和高冲击吸收性着称的山核桃木和其他天然材料;此后,20世纪20年代出现了钢制球杆,70年代碳纤维球杆成为主流,一直保持到今天。

1972年, Shakespeare开发了第一个碳轴之后,其他制造商也纷纷效仿,碳纤维杆身成为日本媒体的宠儿,因为赢得太平洋俱乐部大师赛的美国G.Brewer使用的是Aldila制造的CFRP球杆。

1973年,奥林匹克运动会发布了使用日本东丽Torayca?公布碳纤维/玻璃纤维织物,最初的产品规格为85 g/12°扭矩,但在第二年,出现了规格为77 g/6.9°扭矩的100%碳纤维球杆产品,从而掀起了碳纤维高尔夫球杆的热潮。

3、碳纤维在高尔夫球杆的应用优势

使用预浸料的薄板缠绕轴基本上由角度为±45°的内层(称为“角度层”或“偏置层”)、角度为0°的纵向层(称为“直材”)以及头部软管处的补强/厚度材料组成。轴的特性,如柔韧性、扭矩、重量和冲击点等由这些层的组合方式决定。碳纤维可以通过结合所需的分层角度、厚度等,使这些性能特征以最小的重量得到优化设计,这在传统金属材料中是不可能的。

在一些高档球杆中甚至选用了最高端的碳纤维,如全球高尔夫球杆顶级制造商Graphite Design公司推出了Tour AD 系列高尔夫球杆,球杆采用了东丽T1100G碳纤维预浸料和先进的纳米合金技术,尤其是T1100G碳纤维应用,在保证纤维重量不增加前提下,大幅度提高了结构刚度(更多内容可详阅:日本东丽T1100级碳纤维性能详解及应用实例)。

为了根据每个高尔夫球手的体力来调整高尔夫球杆的柔韧性、扭矩、重量、击球点等,并予球杆良好的携带性和出色的方向性,利用碳纤维的特性进行设计优化。目前为高尔夫职业选手、中老年人以及女性高尔夫球手而设计的各种类型的杆身都采用了碳纤维。如今,几乎100%的木杆和65%的铁杆都由碳纤维制成。毫无疑问,碳纤维将继续成为支持高尔夫发展的重要材料。

原创 钱 鑫 博士

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