超轻型滑雪板展示了石墨烯增强复合材料的潜力

在材料领域，石墨烯在过去几年引起了人们的广泛关注。石墨烯是一种单原子厚的碳原子层，如今以多种形式在市场上出售，可以集成到复合材料或其他材料中，即使在非常低的负载下，石墨烯也已被证明可以增强零件的机械性能，例如导热性、导电性、强度、断裂韧性和减震性。

增强高性能滑雪板。Folsom Custom Skis专门为客户定制的手工制作滑雪板。经过仔细的原型制作和测试过程后，该公司与混合材料供应商Mito Material Solutions合作，重新设计了石墨烯增强的碳纤维复合旅游滑雪板，以创造更轻、更高性能的选择。
图片来源：Folsom Custom Skis

许多复合材料应用和终端市场对使用石墨烯添加剂的兴趣正在增长，但广泛采用的障碍仍然存在，例如石墨烯材料的标准化和验证，以及在任何现有产品和工艺中加入新添加剂所带来的设计和加工挑战。

Folsom Custom Skis（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系列中采用了石墨烯添加剂产品，并通过最初的原型设计和测试来重新设计滑雪板，以优化石墨烯的性能增强。

设计和建造定制高性能滑雪板

除了少量存货零售产品外，Folsom的主要业务是设计、制造以及制造定制滑雪板，每款滑雪板都旨在满足客户的需求、风格和物理特性。滑雪板形状、尾部形状、弧度（滑雪板中心的厚度）和摇杆（滑雪板尖端和尾部的厚度）轮廓、弯曲度和材料的组合都是由Folsom的团队从模具到成品设计和制造的。“我们是全国为数不多的什么都做的公司。我们加工所有的零件，我们做所有的工具，所有的都做。”老板兼首席执行官Mike McCabe说。

一般来说，每副滑雪板由三种复合材料组合中的一种制成，以满足重量阈值：90/10玻璃纤维/碳纤维混合材料、70/30玻璃纤维/碳纤维混合物（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中的一种制成，旨在产生所需的刚度，阻尼和滑雪的整体性能。混合材料中的其他材料包括超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 侧壁、硫化橡胶、钢制外边缘和带有装饰图案的尼龙混合顶板。

测试滑雪板。Folsom聘请了一支值得信赖的测试滑雪者团队，包括首席执行官Mike McCabe，对任何新的滑雪板结构进行A/B测试。
图片来源：Folsom Custom Skis

McCabe解释说，在滑雪板中，玻璃纤维或碳纤维充当封装木芯的“支撑机制”。“它是结构性的，增加了强度，并且将所有东西粘合在一起。”

在Folsom的流程中，工具首先在内部进行数控加工。干燥的玻璃纤维或碳纤维织物被切割，在铺层台上，技术人员用来自Forrest Technical Coatings（美国俄勒冈州尤金）的2K液态环氧树脂预先浸透它们。这些材料被放置在模具中，并与木芯、侧壁、橡胶和顶层材料分层，每一层之间都涂有环氧树脂。整个叠层是在特定的热量和压力下模压成型的。

“使用这些不同的材料，它们都具有不同的热力学特性，并且对温度和湿度的反应也不同，这无疑是滑雪板制造中最困难的事情，”McCabe说。“你只有一次机会，必须要精准无误。”

引入石墨烯增强

Folsom的100%碳纤维滑雪板一直以来都是轻量化且高性能的，但McCabe表示该公司一直不愿进入超轻型滑雪板市场（一般为1700克或以下），不愿为了极端减重牺牲性能、强度和稳定性。

他多年前就听说过石墨烯，并对其在提高滑雪板机械性能的同时减少整体材料使用量的潜力很感兴趣，相当于减轻了滑雪板的重量，但仍符合Folsom的高性能标准。

然而，他起初对尝试石墨烯犹豫不决。Folsom很难找到一家供应商来提供足够少量的材料来满足像Folsom这样的小公司的需求——此外，McCabe承认他起初有点怀疑。“我对石墨烯很感兴趣，但我无法想象它会带来如此大的变化，我们产品的用材非常小心。我们打造一款高性能、高质量的产品，需要确保投入其中的一切都以积极的方式产生重大影响。”

然后在2020年，Folsom被介绍给Mito Material Solutions（美国印第安纳波利斯Mito），这是一家混合材料供应商，包括功能化石墨烯添加剂E-GO（环氧化石墨烯氧化物），它将石墨烯与多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）聚合物结合在一起。

市场上有许多石墨烯材料设计用于广泛的应用——复合材料、电池、塑料、粘合剂等等——但E-GO产品线是专门为提高断裂韧性和减少环氧基复合材料的分层而开发的。

Mito Material Solutions的首席执行官Haley Keith解释说，E-GO可作为液体树脂的粉末添加剂或预浸料的喷雾添加剂，是一种特别设计的混合材料，因此它“与环氧树脂体系在化学上兼容，与纤维在片状形态水平上相互作用”。POSS是一种具有环氧树脂功能的纳米二氧化硅。“我们选择将石墨烯和POSS结合在一起，以帮助石墨烯分散和整合到聚合物基质中。”

她指出，增强化学键、提高断裂韧性和降低分层风险是E-GO开发时的主要目标，但由于涉及石墨烯，其他好处如减振、导热性和导电性也随之而来。E-GO也是第一个被石墨烯委员会授予已验证功能化石墨烯状态的产品。

Keith解释说，公司很早就意识到最好的策略是开始瞄准一个特定的终端市场。高性能体育用品被确定为利基市场，可以从Mito材料的机械性能增益和化学键合优势中看到优势。因此，Mito开始与复合材料体育用品供应链上的所有公司建立联系，包括树脂制造商、复合材料制造商以及零件制造商，Folsom也在其中。

此外，Mito能够提供Folsom所需的少量材料。基于之前对石墨烯材料的兴趣，McCabe决定尝试一下E-GO，看看它是否可以成为进入超轻型旅游滑雪类别的入场券。

第一个原型

2021年，Folsom制造了第一个石墨烯增强滑雪板原型。为此，将10克粉末状的E-GO添加到Folsom现有滑雪板的环氧树脂中，用于公司典型的度假滑雪板结构，该滑雪板使用90%的玻璃纤维/10%的碳纤维复合混合物。这些滑雪板一般用于指定的雪场和斜坡，在那里滑雪者被滑雪缆车带到斜坡的顶部。

将石墨烯添加到混合物中。对于初始原型，Folsom的技术人员在环氧树脂中加入了10克E-GO，并将其添加到90%的玻璃纤维/10%的碳纤维织物中，与其余的木芯和其他材料一起放置。
图片来源：Folsom Custom Skis

McCabe解释说，Folsom遵循仔细而精确的原型制作过程，包括内部机械和现场测试。首先，Folsom使用由Arduino（美国纽约州纽约市）软件运行的驱动测试系统测试滑雪板的阻力和挠度。对于每块雪板，测试系统都会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。“拍打测试”也用于测试振动阻尼，其中加速计测量滑雪板从表面上拉下来时阻尼或关闭振动的速度。

然而，对任何滑雪板的真正考验是在斜坡上，McCabe说：“你无法在测试实验室中复制在真实雪坡上的情况。”

McCabe与一群值得信赖的测试滑雪者和运动员一起测试新的滑雪设计。测试滑雪者被要求记录滑雪板的性能特征，并进行A/B测试，同时穿着一块石墨烯增强滑雪板和一块普通滑雪板进行比较。

初步结果如何？滑雪板更轻、更结实、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。“事实证明，这是我们滑雪板感觉和反应方式的重大变化，然而，将E-GO添加到典型的度假村滑雪板中对于大部分Folsom客户来说可能过于强大。”McCabe说。

此外，为每个构建手动测量和加入E-GO粉末会在制造过程中增加额外的步骤和额外的变量。McCabe解释说，使用粉末添加剂可能具有挑战性，存在溢出风险、手动混合不一致以及增加过程时间。

这些初始原型展示了少量石墨烯可以显著提高机械性能，适用于需要轻量化和高性能的滑雪板应用。

石墨烯增强的重新设计

比起Folsom最初尝试的度假滑雪板来说，旅游滑雪板更适合它。旅游滑雪板是为了在雪场以外的偏远地区使用，必须能够承受并在不可预测的条件下表现良好，比度假滑雪板更需要轻量，因为它们需要在没有滑雪升降机的帮助下人力抬上雪坡。Folsom之前的100%碳纤维旅行滑雪板是其最轻的选择，但根据滑雪板的形状，每块滑雪板的重量仍可能高达1.8kg或2.3kg，因为Folsom不愿为了使滑雪板更薄更轻而牺牲其稳定性和强度。相比之下，市场上其他旅行用滑雪板每块重量仅为1.2kg。

E-GO的加入为轻量化带来了机会，将滑雪板的强度和韧性提高到不再需要某些原始材料的程度。因此，Folsom重新设计了其碳纤维复合滑雪板的材料构成，去除任何不必要的塑料和复合材料层。具体而言，最初用于强度和结构所需的典型白杨/竹芯的厚度显著减少。此外，去除了较重的竹材，并减小了UHMWPE侧壁的尺寸。

这些材料变化导致整个滑雪板的重量减轻了300克——“这也太酷了，当然，在滑雪板中加入添加剂是有成本的，但我们正在降低其他材料的材料成本。”

为更轻量重新设计。石墨烯的添加增加了更高的强度和减振性能，使Folsom能够从滑雪板上去除不必要的材料，减轻重量，从而与其他超轻型旅游滑雪板相比更具竞争力。
图片来源：Folsom Custom Skis

经过一系列机械和现场测试，石墨烯增强型滑雪板于2022年作为UltraLite结构风格推出，可用于Folsom的任何滑雪板形状。

除了减轻重量之外，UltraLite滑雪板与Folsom之前的旅游滑雪板相比还有其他优势，例如更高的强度、更强大的性能，改进的减震性和降低分层的风险，因为E-GO促进了材料与增强环氧树脂之间更好的粘合。

“E-GO的添加有助于环氧树脂深入渗透到木材和滑雪板的所有区域，这一点非常重要。”McCabe解释说，滑雪板最常见的问题之一是分层，因为滑雪板，尤其是旅游滑雪板，会受到恶劣条件和温度的影响。E-GO增强型滑雪板具有更强的粘合力并且分层更少。

证明E-GO。对于Mito来说，Folsom的UltraLite滑雪板是一个例子，说明了如何使用E-GO等混合添加剂来增强和优化复合材料部件。Mito还与其他公司合作，重新设计和优化石墨烯增强型高尔夫球杆、钓鱼竿等。
图片来源：Mito Material Solutions

E-GO产品本身也在不断发展以满足客户的需求。2022年，Folsom将Mito介绍给了其技术涂料供应商Forrest Technical Coatings。从2023年开始，该公司开始将以环氧树脂Mito E-GO Res-1和固化剂Mito tri-hdrr-1的形式出售。

有了这些产品，客户可以像往常一样使用固化剂和环氧树脂，而无需自己将E-GO粉末添加到基体中。“最终，与Forrest的合作使我们有机会为客户提供一种具有更高生产效率的新产品，”Keith说。McCabe补充说，在Folsom，“我们已经完全转向这些产品。它让我们的生活变得更轻松，而且其可加工性似乎与普通树脂没有任何不同。”

McCabe总结道：“我们最终能够凭借一款非常轻便的滑雪板进入超轻滑雪板市场，该滑雪板仍然非常适合滑雪，并且符合 Folsom 的标准。”在接下来的两年里，Folsom计划将大部分高性能滑雪板迁移到通过E-GO增强的UltraLite结构上。

文章来源：CompositesWorld