采用石墨烯添加劑，Folsom Custom Skis(福爾松定制滑雪板公司)改進并優化了碳纖維復合材料滑雪板，以實現更高的性能和更輕的重量。

 

圖1 Folsom Custom Skis專門為客戶定制滑雪板。經過原型設計和測試，該公司與材料供應商Mito Material Solutions合作，使用石墨烯增強，重新設計了碳纖維復合材料滑雪板，制造了一種重量更輕，性能更高的滑雪板

 

福爾松定制滑雪板（美國科羅拉多州丹佛市）最近在其最新的超輕碳纖維復合旅游滑雪板中采用了石墨烯作為添加劑，并基于最初的原型設計和測試來重新設計滑雪板，以優化石墨烯的增強性能。

 

設計和制造高性能滑雪板

 

除了少量的庫存零售產品外，福爾松的主要業務是設計和制造定制滑雪板，每種滑雪板都是根據客戶的需求、風格和物理特征設計的?；┌宓男螤?、尾部形狀、弧度（滑雪板中心的厚度）和輪廓（滑雪板尖端和尾部的厚度）、彎曲度和材料都是由福爾松的團隊從模具到成品設計和制造的。

 

通常，每個滑雪板由三種復合材料組合，以滿足重量要求：90/10玻璃纖維/碳纖維混合材料、70/30玻璃纖維/碳纖維混合材料（重量稍輕）和100%碳纖維層壓板（重量最輕）。復合層壓板夾層結構核心由幾種混合木材制成，該結構被設計以滿足滑雪板所需的剛度、阻尼和整體性能?；旌衔镏械钠渌牧习ǔ叻肿恿烤垡蚁║HMWPE）、硫化橡膠、鋼外邊緣和帶有裝飾圖形的尼龍共混物面板。在滑雪板中，玻璃纖維或碳纖維充當了“支撐物”，基于該結構性增加了強度。

 

在福爾松的工藝中，刀具首先在內部進行CNC加工。切割干燥的玻璃纖維或碳纖維織物，并且在鋪層臺上，技術人員用液體環氧樹脂將它們浸潤。這些材料被放置在模具中，并與木芯、側壁、橡膠和頂板材料分層，每層之間都涂上環氧樹脂。整個鋪層是在特定的溫度和壓力下壓縮成型的。所有這些材料都具有不同的熱力學性質，對溫度和濕度的反應也不同，這是滑雪板制造難點。

 

引入石墨烯增強

 

福爾松的100%碳纖維滑雪板一直是輕量級和高性能，但該公司一直不愿進入市場的超輕型滑雪板（一般為1700克或更輕），因其不愿犧牲性能、強度和穩定性來達到極致的減重效果。

 

在2020年，福爾松被介紹給Mito materials Solutions，這是一家混合材料供應商，包括功能化石墨烯添加劑E-GO(環氧化氧化石墨烯)。市場上有許多石墨烯材料，并有廣泛的應用-復合材料，電池，塑料，粘合劑等。但E-GO產品線是專門開發的，以提高斷裂韌性并減少環氧復合材料產品的分層。

 

E-GO可作為液體樹脂的粉末添加劑或預浸料的噴霧劑使用，它被專門設計為混合材料，因此它與環氧樹脂體系化學相容，與纖維在水平方向上相互作用。POSS是具有環氧官能團的納米二氧化硅，通過將石墨烯和POSS結合在一起，以幫助石墨烯分散到聚合物基質中。

 

增強化學鍵，提高斷裂韌性和降低分層風險是E-GO開發的主要目標。由于涉及石墨烯，其他如振動阻尼、導熱性和導電性等優勢也隨之而來。E-GO也是第一個被石墨烯理事會授予驗證的功能化石墨烯產品。

 

一代原型

 

2021年，福爾松制造了第一個石墨烯增強型滑雪板。將10克粉末形式的E-GO添加到福爾松現有滑雪板的環氧樹脂中，該滑雪板使用90%玻璃纖維/10%碳纖維復合材料混合物制成。

 

福爾松遵循仔細和精確的制作過程，并進行機械測試和現場測試。首先，Folsom使用Arduino (New York, N.Y, U.S.)軟件運行的驅動測試系統測試滑雪板的阻力和撓度。對于每一塊滑雪板，測試系統將力拉到滑雪板的中心，以測量它在靜態重量下的偏轉程度。通過測試比較石墨烯增強滑雪板和常規滑雪板，得到的初步結果是添加石墨烯的滑雪板更輕，更堅固，并提供了特別有效的阻尼性能——減少了滑雪者在崎嶇地形上感受到的“顫振”或振動。經驗證，少量的石墨烯可以顯著提高機械性能，合適同時需要輕重量和高性能的滑雪板應用制造。

 

此外，工藝過程手動稱重和加入E-GO粉末，在制造過程中增加了額外的步驟和額外的變量。使用粉末添加劑可能有溢出的風險，手工混合存在不一致以及增加工藝時間。

圖2 向復合材料中加入石墨烯。福爾松的技術人員測量出10克E-GO到環氧樹脂中，該環氧樹脂被添加到90%玻璃纖維/10%碳纖維織物中，與其他材料一起鋪層

 

二次設計

 

福爾松之前的100%碳纖維滑雪板是其最輕的選擇，但根據滑雪板的形狀，每個滑雪板的重量仍可能超過1800或2300克，因為福爾松不愿意通過使更薄更輕滑雪板來損害滑雪板的穩定性和強度。相比之下，市場上的其他滑雪板每板重量僅為1200克。

 

E-GO的加入帶來了輕量化的機會，提高了滑雪板的強度和韌性，使某些原始材料不再需要。因此，福爾松重新設計了碳纖維復合滑雪板的材料組成，以去除任何不必要的材料層。材料的變化導致整個滑雪板減少了高達300克的重量。

 

除了減輕重量外，新一代滑雪板與福爾松以前的滑雪板相比還具有其他優勢，例如更高的強度，更強大的性能，更好的減震和降低分層風險，因為E-GO促進了材料與增強型環氧樹脂之間的更好粘合。滑雪板最常見的故障之一是由惡劣的條件和溫度帶來的分層。E-GO增強型滑雪板具有更強的結合力，并且具有更少的分層風險。

圖3 重新設計滑雪板以減輕重量

圖4 福爾松的UltraLite滑雪板