МАТЕРИАЛ И КОНСТРУКЦИЯ РАКЕТОК Материал обода ракетки

Весь прогресс тенниса, наверное, наполовину обусловлен развитием технологии производства материалов из которых изготавливаются ракетки. Утверждение неожиданное, но по­смотрите как изменилась техника тенниса и скорость игры с появлением легких, прочных, большеголовых ракеток из син­тетических волокон. И процесс продолжается: ракетки пре­вращаются в оптимальный инструмент для удара по мячу, на­страиваемый под индивидуальные особенности игрока. Про­мышленность опробовала различные материалы для ракеток, но наиболее конкурентоспособной оказалась технология про­изводства ракеток из углеволокна.

Легкие и прочные ракетки, которые принято называть гра­фитовыми, вытеснили из рынка и деревянные, и металличес­кие, и стеклопластиковые, поэтому рассмотрим технологию производства графитовых ракеток как наиболее передовую. Название свое эти ракетки получили от графита, одного из природных состояний углерода. Вообще-то название спорное, так как, как те волокна, из которых сделаны ракетки общепри­нято называть углеродными, но не графитовыми. Однако на­звание прижилось и ничего с ним не поделаешь: в мире много анахронизмов.^Существуют, правда, и другие название совре­менных ракеток: композитные, углепластиковые, карбоплас- тиковые…, но эти термины как-то не в ходу у народа, а вот «графитовые» — всем сразу понятно о чем речь.

Графит, как было упомянуто выше, одно из кристалличес­ких состояний углерода, этого замечательного элемента, поро­дившего, к слову сказать, жизнь на Земле. Итак, углерод (лат. Carboneum), химический элемент четвертой группы таблицы Менделеева. Чистый углерод самостоятельной твердой моди­фикации не имеет, а образует четыре кристаллические разно­видности: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Кристаллы гра­фита гексагональной структуры, атомы которой имеют проч­ную связь только в двух направлениях декартовых координат. Поэтому графит прочен только в одной плоскости, из-за этого он образует пластинчатую структуру, причем пластинки очень твердые, но хрупкие, т.к. имеют толщину одного атома, а связь между пластинками очень слабая. Если бы удалось прочно скле­ить эти пластинки, то получился очень твердый материал, как алмаз. Такая пленка толщиной всего 100 мкм порвется при усилии в 2000кг. http://inauka.ru/news/article847247subtxt. Что- то подобное и осуществляется современной технологией про­изводства углепластиков, но об этом ниже.

Кристаллы алмаза имеют кубическую структуру, связи ато­мов которой прочны в трех направлениях, что обеспечивает очень высокую прочность этого вещества во всех плоскостях. Две оставшиеся разновидности углерода очень редко встреча­ются в природе или синтезированы искусственно.

Таким образом, в жизни мы наблюдаем углерод только в виде графита (например, в грифеле карандашей) или в -виде алмазов. Может возникнуть вопрос: как же из графита, до­вольно хрупкого вещества, делают такие прочные материалы и не только ракетки? (Недавно произошла презентация самоле­та Боинг 787, корпус которого сделан из пластика. Это по­зволило значительно уменьшить вес лайнера, что, в свою оче­редь, привело к снижению расхода топлива аж на целых 20%. Представляете какая экономия, если на каждый рейс лайнеру необходимы тонны горючего!).

Дело все в том, что т.н. «графитовые» ракетки, как это ни парадоксально, делают вовсе не из графита. Исходным сырьем для производства ракеток служат углеродосодержащие волок­на (например, вискозные, полиакрильные…), которые ника­кого отношения к кристаллическому графиту не имеют. На­портив, они содержат много связанного углерода, то есть со­единений углерода с другими элементами. Углерод характерен тем, что, имея 4 ковалентные связи на последней электронной оболочке, способен образовывать очень сложные соединения, в том числе длинные цепочки из своих атомов и присоединен­ных к ним различных элементов. Такие соединения принято называть органическим, некоторые из них образуют биологи­ческие соединения (белки).

Соединения углерода с водородом называют углеводорода­ми. Это большой класс соединений, представителями которо­го являются хорошо известные горючие газы: метан, ацети­лен. Соединения углерода с водой образуют органические со­единения, называемые углеводами, входящими в состав живых клеток. Существует также большая группа неорганический со­единений углерода, например, углекислый газ, карбиды.

Из всего этого длинного перечня углеродных соедине­ний нас будут интересовать те, которые оформились (при по­мощи современных техноло­гий) в длинные цепочки ато­мов углерода и присоединен­ных к ним различных элементов (в основном, водо­рода и кислорода). Эти цепоч­ки формируются в т.н. «углеродные волокна», которые заме­чательны тем, что имеют большую прочность, термостойки и стойки к агрессивным средам. Причем чем меньше в цепочке других элементов кроме углерода, тем оно прочнее. В идеале

можно представить следующую цепочку: 0=С=С=С=С=…………… —

…. =С=С=С=С=0, то есть цепь из атомов углерода с двух сто­рон завершенная, к примеру, атомами кислорода (или четырь­мя атомами водорода). Это была бы сверхпрочная нить. Одна­ко получить такую цепочку достаточно сложно, обязательно в неё «встрянут» другие элементы, которые будут слабыми зве­ньями в прочной цепи (ох уж эти «слабые звенья», сколько бед они принесли человечеству!).

Ученые уже получили нити, содержащие более 99% угле­рода. Они назвали их сверхуглеродными (Hypercarbon fiber). Являются ли эти нити графитовыми? Некоторые исследовате­ли полагают, что при концентрациях углерода в волокне бо­лее 95%, его атомы начинают формировать кристаллическую гексагональную структуру, так что их можно уже называть гра­фитовыми волокнами.

В 2004 году группой Андре Гейма (Andre Geim) из Манче­стерского университета была получена пленка из кристалли­ческого графита, названого исследователями графеном. На рис. 1.1 представлена структура графена, толщиной в один атом.

Обсудим теперь вопрос как из этих сверхпрочных углерод­ных нитей получают сверхпрочные и сверхлегкие ракетки. А технология тут похожая на известный метод создания железо­бетона, когда в раствор бетона вставляют металлическую ре­шетку (или сетку), которая и придает хрупкому бетону необ­ходимую прочность. Так и при создании ракеток, прочные уг­леродные нити заливают эпоксидной смолой. После затвердевания смолы такой материал становиться очень проч­
ным и легким. Так как углеродные нити очень тонки (микро­ны), то их объединяют в слои, из слоев плетут плоские косич­ки. Такие косички принято называть матрицами. Все это дела­ется, в конечном счете, для увеличения прочности получаемо­го материала. Иногда в матрицы вплетаются металлические нити, например титановые, и тогда появляются титановые ра­кетки. Название тоже спорное, т.к. титана там, как говорится, «кот наплакал». В общем, технология не стоит на месте, име­ются сообщения о создании волокон из углеродных нанотру­бок [4].

Давайте прикинем насколько может увеличиться прочность ракеток при создании их из углеродных нанотрубок. В начале статьи была высказана идея: склеить слои графита каким-либо прочным клеем и тогда будет получен очень прочный матери­ал. Если допустить что в углеродных волокнах с процентным содержанием углерода более 95% происходит кристаллизация углерода в графит, то тогда число «несклеенных» пластин гра­фита в таком волокне приблизительно от 1000 до 10 000. Это легко вычислить из следующих исходных данных: расстояние между пластинами кристаллического графита около 1 нано­метра, а толщина углеродных нитей, используемых при изго­товлении ракеток, — микроны.

Так как связь между пластинами в графите слабая, то это и снижает его прочность на изгиб. Теперь, допустим, мы из­готовили нить из нанотрубки углерода, толщина которой на­нометры. Тогда количество слоев графита в такой нити сни­зится не менее чем на 3 порядка. И если удастся сплести большое количество таких нитей в матрицу, то получится материал, прочность которого увеличится на порядки! В об­щем, теннисистам еще предстоит попробовать много новинок теннисной индустрии (в том числе и «наноракетки»!).

Сравним прочность получаемого из углерода карбопласти- ка с традиционными материалами. Для этого сведем в табли­цу 1.1 значения модулей упругости Е (модулей Юнга) некото­рых известных материалов и их удельную упругость, то есть отношение модуля Юнга к удельному весу (плотности) мате­риала. Последний показатель очень важен как для ракеток, так и для самолетов, где снижение веса конструкции не долж­но уменьшать её прочность. Как видно из таблицы карбоплас- тик по удельной упругости перегнал все известные материалы и приблизился к алмазу.

Таблица 1.1 \о Наименование материала Модуль Юнга Е (Кгс/кв. мм) Удельная упругость ( хЮ’мм) 1 Дерево 1400 1 2 Алюминий и сплавы 7000-10000 2-3 3 Сталь 20000 3 4 Алмаз 100000 30 4 Карбоиластик 10000-50000 10-15 5 Углеродные нанотрубки 100000

 

Данные взяты из следующих источников [5,б,7,8].

О том, как изготавливают из углеродных волокон ракетки, можно написать целый роман, полный страстей, удивитель­ных открытий и разочарований. Представьте себе, как из рас­плавленной смолы вытягивают микронные нити, которые за­тем подвергают процессу выпаривания, пропитки (т.н. пре- прегу) и соединению их в волокна. После чего эти волокна сплетают в ткань (матрицу), вплетая в нее дополнительные волокна (например, титановые, кевларовые, пьезоэлектричес­кие и др.), обрабатывают, подвергая самым различным воз­действиям. Затем эту «ткань» наматывают на шаблон ракетки, помещают в форму, заливают эпоксидной смолой, причем весь процесс сопровождается термической и химической обработ­кой, в результате которого в конце-концов получается обод ракетки. Надо еще учесть, что каждый изготовитель пытается внести что-то свое в этот длинный и сложный технологичес­кий процесс, экспериментирует, внедряет передовые научные достижения и поэтому очень оберегает свои разработки от «по­стороннего глаза».

В результате конкурентной борьбы на рынке производите­лей ракеток сформировалась более-менее устойчивая «группи­ровка» из двух десятков фирм: Babolat, Cayman, Dunlop, Gamma, Gosen, Fischer, Head, Kneissl, Prince, Pro Kennex, Slazenger, Spalding, Volkl, Wavex, Weed, Wilson, Wonderwand, Yonex. И у каждого производителя есть своя «фирменная» (запатентованная) технология изготовления обода ракетки, с которой он вступает в конкурентную борьбу за покупателя. Современные технологии позволяют при относительно неболь­шом весе ракетки делать ее необычайно, прочной и комфорт­ной для игры. Обычно название технологии дает имя коллек­ции ракеток (Liquidmetal, Intelligence X, Intelligence, Titanium, Triad, Woofer и т.п.)

В последнее время производители теннисных ракеток отда­ют предпочтение композитным материалам, которые указыва­ются в паспорте любой ракетки (Composition), например, в виде таких записей: «Composition: 100% Graphite»; «Com­position: graphite/Kevlar»; «Composition: LiquidMetal Titanium / Graphite and Piezzo Electric Fibers»; «Composition: Hipercarbon», которые, как правило, наносятся на обод ракет­ки. Подробно описывать здесь все материалы и технологии не имеет смысла. Во-первых, их очень много и некоторые похо­жи друг друга, а, во-вторых, технологии не стоят на месте: одни отмирают, другие рождаются, и этот процесс происходит достаточно быстро. Можно перечислить некоторые наиболее популярные.

Babolat: Aero Modular, Woofer, Carbon Nanotube, Aerobeam, Cortex, Smart Grip.

Head: Flexpoibt, LiquidMetal, Total Sweetspot Construction, Intellifiber, Titanium, AnTi.Torsion System, TwinTube Constru­ction, Metallix, LMS, MicroGel.

Prince: O³ Speedport,Triple Threat (Triple Braid),Tungsten Triple Threat (Triple Braid), GraphiteExtreme, Morph Beam, Sweet Spot Suspension, More Performance.

Wilson: nCode, Triad Technology with Iso.Zorb, Hyper Carbon, Hammer Technology, Stretch, Perimeter Weighting System, Dual Taper Beam, Slingshot-Yoke, Iso-Zorb Grommets, nZone, (K)arophite Black.

Конечно же, материал (Composition) и технологии (Technologies) полностью определяют параметры и психофи­зические качества ракеток, поэтому их вносят в паспортные данные ракетки. Вот цитаты некоторых производителей раке­ток: «Kevlar adds weight and is effective in damping frame shock and vibration. Additionally, they are foam-filled to help achieve uniform weight/balance specs and provide an even more solid feel by deadening sound. Head has launched its new Tour Series racquet line, the MicroGel Radical, featuring new MicroGel technology that Head says will offer aggressive, competitive players with a solid feel and tremendous spin properties».

В первой цитате речь идет о добавлении в материал ракетки кевларовых волокон, которые якобы позволяют игроку ощу­щать ее более твердой из-за эффективного гашения кевларом

 

отдачи и вибрационных нагрузок. Этому же способствует и заполнение пустот обода синтетической пеной, которая погло­щает звук удара и создает впечатление монолитного обода. Вторая цитата — это реклама фирмы Head своей ракетки MicroGel Radical, которая благодаря новой технологии MicroGel наделена великолепными психофизическими каче­ствами: ощущением твердости и прямо таки потрясающими способностями к кручению (наверное, что ни удар, то топс- пин). На самом же деле ракетка может и не обладать заявляе­мыми свойствами, но выяснится это только после того как ее купят и поиграют ей некоторое время.