增強(qiáng)高性能滑雪板。Folsom定制滑雪板專門為客戶定制手工制作的滑雪板。經(jīng)過仔細(xì)的原型設(shè)計(jì)和測試過程，該公司與混合材料供應(yīng)商MitoMaterialSolutions合作，重新設(shè)計(jì)了石墨烯增強(qiáng)的碳纖維復(fù)合旅游滑雪板，以創(chuàng)造一種重量更輕、性能更高的野外旅游選擇。

在材料界，石墨烯在過去幾年里引起了很多關(guān)注。如今，一層單原子厚的碳原子層以多種形式商業(yè)化，可以集成到復(fù)合材料或其他材料中，石墨烯即使在非常低的負(fù)載下，也可以增強(qiáng)零件的機(jī)械性能，如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、強(qiáng)度、斷裂韌性和振動(dòng)阻尼。

在許多復(fù)合材料應(yīng)用和終端市場中，人們對(duì)石墨烯添加劑的使用越來越感興趣，但廣泛采用的障礙仍然存在，例如石墨烯材料的標(biāo)準(zhǔn)化和驗(yàn)證（盡管石墨烯委員會(huì)及其成員等實(shí)體正在進(jìn)行這項(xiàng)工作），以及在任何現(xiàn)有產(chǎn)品和工藝中加入新添加劑所帶來的設(shè)計(jì)和加工挑戰(zhàn)。

FolsomCustomSkis（美國科羅拉多州丹佛市）是一家最近為其最新的超輕碳纖維復(fù)合材料旅游滑雪板系列采用石墨烯添加劑產(chǎn)品的公司，該公司通過初步原型設(shè)計(jì)和測試，重新設(shè)計(jì)滑雪板，以優(yōu)化石墨烯的性能增強(qiáng)。

除了小型庫存零售產(chǎn)品外，F(xiàn)olsom的主要業(yè)務(wù)是設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)和制造定制滑雪板，每種滑雪板都是為滿足客戶的需求、風(fēng)格和身體特征而設(shè)計(jì)的?；┌宓男螤?、尾部形狀、外傾角（滑雪板中心的厚度）和搖桿（滑雪板尖端和尾部的厚度）輪廓、彎曲度和材料混合由Folsom的團(tuán)隊(duì)從工具到完成進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建。所有者兼首席執(zhí)行官M(fèi)ikeMcCabe表示：“我們是這個(gè)國家為數(shù)不多的真正在這里做所有事情的公司之一。我們加工所有的零件，我們做所有的工具，一切?！?/p>

Folsom雇傭了一支值得信賴的測試滑雪者團(tuán)隊(duì)，包括首席執(zhí)行官M(fèi)ikeMcCabe，對(duì)任何新的滑雪結(jié)構(gòu)進(jìn)行A/B測試。通常，每對(duì)滑雪板都由三種復(fù)合材料組合中的一種制成，以滿足重量閾值：90/10玻璃纖維/碳纖維混合物、70/30玻璃纖維/碳纖維混合物（重量稍輕）和100%碳纖維層壓板（重量最輕）。復(fù)合材料層壓板夾著一個(gè)結(jié)構(gòu)芯，該結(jié)構(gòu)芯由幾種木材混合物中的一種制成，旨在產(chǎn)生滑雪板所需的剛度、阻尼和整體性能?；旌衔镏械钠渌牧习ǔ叻肿恿烤垡蚁║HMWPE）側(cè)壁、硫化橡膠、鋼外邊緣和帶有裝飾圖案的尼龍混合頂層。麥凱布（McCabe）解釋說，在滑雪板中，玻璃纖維或碳纖維充當(dāng)了包裹木芯的“支撐機(jī)制”?！八哂薪Y(jié)構(gòu)性，增加了強(qiáng)度，是將一切結(jié)合在一起的?！?/p>

在Folsom的工藝中，模具是第一個(gè)在內(nèi)部進(jìn)行數(shù)控加工的。切割干燥的玻璃纖維或碳纖維織物，在鋪層臺(tái)上，技術(shù)人員用ForrestTechnicalCoatings（Eugene，Ore.，U.S.）的2K液體環(huán)氧樹脂預(yù)飽和。這些織物鋪在模具中，與木芯、側(cè)壁、橡膠和頂片材料分層，每層之間涂有環(huán)氧樹脂。整個(gè)疊層是在特定的熱和壓力下壓縮成型的。

麥凱布說：“使用這些不同的材料，所有這些材料都具有不同的熱力學(xué)性質(zhì)，對(duì)溫度和濕度的反應(yīng)也不同，這無疑是滑雪板制造中最困難的事情。”?！澳阒荒艽蛞粯?，而且必須非常精確?！?/p>

Folsom的100%碳纖維滑雪板一直重量輕、性能高，但麥凱布表示，該公司一直不愿進(jìn)入超輕滑雪板市場（通常為1700克或以下），也不愿犧牲性能、強(qiáng)度和穩(wěn)定性來極端減重。

多年來，他一直聽說石墨烯，并對(duì)其在提高滑雪板機(jī)械性能的同時(shí)減少整體材料使用的潛力感興趣，這相當(dāng)于一種重量較輕的滑雪板，仍然符合Folsom的高性能標(biāo)準(zhǔn)。

然而，一開始他對(duì)嘗試石墨烯猶豫不決。Folsom很難找到一家供應(yīng)商，該供應(yīng)商能夠?yàn)橄馞olsom這樣的小公司提供足夠少量的材料——此外，麥凱布承認(rèn)他一開始有點(diǎn)懷疑。他說：“我對(duì)石墨烯很感興趣，但我無法想象它會(huì)帶來這么大的變化?！薄！拔覀儗?duì)產(chǎn)品中使用的材料非常謹(jǐn)慎。我們生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品，需要確保我們投入的一切都能以積極的方式產(chǎn)生重大影響。”

在2020年，F(xiàn)olsom被引入MitoMaterialSolutions（Mito，Indianapolis，Ind.，U.S.），這是一家混合材料供應(yīng)商，包括功能化石墨烯添加劑E-GO（環(huán)氧化石墨烯氧化物），它將石墨烯與多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）聚合物相結(jié)合。

市場上有許多石墨烯材料設(shè)計(jì)用于廣泛的應(yīng)用復(fù)合材料、電池、塑料、粘合劑等——但E-GO產(chǎn)品線是專門為提高斷裂韌性和減少環(huán)氧基復(fù)合材料產(chǎn)品的分層而開發(fā)的。MitomaterialSolutions首席執(zhí)行官海莉·凱斯（HaleyKeith）解釋道，E-GO可作為液體樹脂的粉末添加劑或預(yù)浸料的噴霧，專門設(shè)計(jì)為一種混合材料，因此它“與環(huán)氧樹脂系統(tǒng)化學(xué)兼容，在血小板形態(tài)水平上與纖維相互作用”。POSS是一種具有環(huán)氧功能的納米二氧化硅?！拔覀冞x擇將石墨烯和POSS結(jié)合在一起，以幫助石墨烯分散和整合到聚合物基體中?！?/span>

她指出，增強(qiáng)化學(xué)鍵、提高斷裂韌性和降低分層風(fēng)險(xiǎn)是E-GO開發(fā)時(shí)的主要目標(biāo)，但由于石墨烯也參與其中，它還具有減振、導(dǎo)熱和導(dǎo)電等其他優(yōu)點(diǎn)。E-GO也是首個(gè)被石墨烯理事會(huì)授予驗(yàn)證功能石墨烯地位的產(chǎn)品。凱斯解釋說，該公司很早就意識(shí)到，最好的戰(zhàn)略是開始瞄準(zhǔn)特定的終端市場。高性能體育用品被確定為一個(gè)利基市場，可以從MITO?材料的機(jī)械性能收益和化學(xué)鍵合收益中看到優(yōu)勢。因此，MITO?開始與復(fù)合材料體育用品供應(yīng)鏈上的所有公司建立聯(lián)系，從樹脂制造商和復(fù)合材料制造商到零部件制造商，包括Folsom。

此外，MITO?能夠提供Folsom所需的少量材料?；谥皩?duì)石墨烯材料的興趣，McCabe決定嘗試一下E-GO，它是否能成為進(jìn)入超輕旅行滑雪類別的門票。將石墨烯添加到混合物中。對(duì)于其原始原型，F(xiàn)olsom的技術(shù)人員在環(huán)氧樹脂中測量了10克E-GO，環(huán)氧樹脂被添加到90%的玻璃纖維/10%的碳纖維織物中，與其余的木芯和其他材料一起鋪設(shè)。

麥凱布解釋說，F(xiàn)olsom遵循一個(gè)仔細(xì)而精確的原型制作過程，包括內(nèi)部機(jī)械和現(xiàn)場測試。首先，F(xiàn)olsom使用Arduino（美國紐約州紐約市）軟件運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)測試系統(tǒng)測試滑雪板的阻力和偏轉(zhuǎn)。對(duì)于每一塊滑雪板，測試系統(tǒng)都會(huì)將力拉到滑雪板的中心，以測量它在靜態(tài)重量下偏轉(zhuǎn)的程度。還進(jìn)行了一項(xiàng)“拍打測試”來測試振動(dòng)阻尼，即加速度計(jì)測量滑雪板從表面拉出時(shí)阻尼或關(guān)閉振動(dòng)的速度。

然而，任何滑雪的真正考驗(yàn)都是在斜坡上，麥凱布說：“你無法在測試實(shí)驗(yàn)室復(fù)制在真正斜坡上的條件。”麥凱布本人與一群值得信賴的測試滑雪者和運(yùn)動(dòng)員一起測試新的滑雪設(shè)計(jì)。測試滑雪者被要求記錄滑雪板的性能特征，并進(jìn)行A/B測試，同時(shí)佩戴一塊石墨烯增強(qiáng)型滑雪板和一塊普通滑雪板進(jìn)行比較。

此外，為每個(gè)構(gòu)建手動(dòng)測量和合并E-GO粉末，在制造過程中增加了額外的步驟和變量。McCabe解釋說，使用粉末添加劑可能很有挑戰(zhàn)性，有溢出的風(fēng)險(xiǎn)，手工混合的不一致性以及過程中增加的時(shí)間。這些最初的原型證明了少量石墨烯可以為需要輕質(zhì)和高性能的正確類型的滑雪應(yīng)用提供顯著的機(jī)械性能增強(qiáng)。

旅行滑雪板最終比Folsom最初嘗試的度假滑雪板更適合。旅游滑雪板專為在偏遠(yuǎn)地區(qū)的滑雪場外使用而設(shè)計(jì)，必須能夠承受不可預(yù)測的條件，并在不可預(yù)見的條件下表現(xiàn)良好，而且重量輕比度假滑雪板更重要，因?yàn)樗鼈冃枰跊]有滑雪升降機(jī)的情況下提上斜坡。

Folsom之前的100%碳纖維巡回滑雪板是其最輕的選擇，但根據(jù)滑雪板的形狀，每塊滑雪板的重量仍可能超過1800或2300克（3.9至5.07磅），因?yàn)镕olsom不愿意通過使滑雪板更薄、更輕來損害滑雪板的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。相比之下，市場上的其他旅游滑雪板每只滑雪板的重量只有1200克（2.6磅）。E-GO的加入為減輕重量提供了機(jī)會(huì)，提高了滑雪板的強(qiáng)度和韌性，使一些原始材料不再需要。因此，F(xiàn)olsom重新設(shè)計(jì)了其基線碳纖維復(fù)合材料滑雪板的材料構(gòu)成，以去除任何不必要的塑料和復(fù)合材料層。具體而言，最初用于強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的典型白楊/竹子芯的厚度顯著減小。此外，去除了較重的竹材料，并減小了UHMWPE側(cè)壁的尺寸。這些材料的變化使整個(gè)滑雪板的重量減輕了300克。重新設(shè)計(jì)，重量更輕。石墨烯的加入增加了更高的強(qiáng)度和減振性能，使Folsom能夠從滑雪板上去除不必要的材料，減輕重量，與其他超輕旅行滑雪板相比更具競爭力。經(jīng)過機(jī)械和現(xiàn)場測試，石墨烯增強(qiáng)滑雪板于2022年以UltraLite結(jié)構(gòu)風(fēng)格推出，可用于Folsom的任何滑雪形狀。

除了重量節(jié)省之外，與Folsom之前的巡回滑雪板選項(xiàng)相比，UltraLite滑雪板還具有優(yōu)勢，例如更高的強(qiáng)度可獲得更強(qiáng)大的性能、改進(jìn)的減振性能和降低分層風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)镋-GO可促進(jìn)材料與增強(qiáng)型環(huán)氧樹脂之間更好的粘合。

麥凱布說，E-GO的加入“有助于我們將環(huán)氧樹脂更深地滲透到木材和滑雪板的所有區(qū)域，這是非常重要的”。他解釋說，滑雪板最常見的故障之一是分層，因?yàn)榛┌?，尤其是巡回滑雪板，?huì)受到惡劣的條件和溫度的影響。E-GO-增強(qiáng)型滑雪板具有更強(qiáng)的結(jié)合力，并且出現(xiàn)的分層更少。

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注：原文見

《Ultra-light weigh skis demonstrate potential of graphere - reinforced composites》2023.5.22

楊超凡2024.1.9