增强高性能滑雪板。Folsom 定制滑雪板专门为客户定制手工制作的滑雪板。经过仔细的原型设计和测试过程，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，以创造一种重量更轻、性能更高的野外旅游选择。

在材料界，石墨烯在过去几年里引起了很多关注。如今，一层单原子厚的碳原子层以多种形式商业化，可以集成到复合材料或其他材料中，石墨烯即使在非常低的负载下，也可以增强零件的机械性能，如导热性和导电性、强度、断裂韧性和振动阻尼。

在许多复合材料应用和终端市场中，人们对石墨烯添加剂的使用越来越感兴趣，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（尽管石墨烯委员会及其成员等实体正在进行这项工作），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）是一家最近为其最新的超轻碳纤维复合材料旅游滑雪板系列采用石墨烯添加剂产品的公司，该公司通过初步原型设计和测试，重新设计滑雪板，以优化石墨烯的性能增强。

设计和建造定制的高性能滑雪板

除了小型库存零售产品外，Folsom的主要业务是设计、设计和制造定制滑雪板，每种滑雪板都是为满足客户的需求、风格和身体特征而设计的。滑雪板的形状、尾部形状、外倾角（滑雪板中心的厚度）和摇杆（滑雪板尖端和尾部的厚度）轮廓、弯曲度和材料混合由Folsom 的团队从工具到完成进行设计和构建。所有者兼首席执行官Mike McCabe表示：“我们是这个国家为数不多的真正在这里做所有事情的公司之一。我们加工所有的零件，我们做所有的工具，一切。”

 

测试滑雪板。Folsom雇佣了一支值得信赖的测试滑雪者团队，包括首席执行官Mike McCabe，对任何新的滑雪结构进行A/B测试。

通常，每对滑雪板都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/碳纤维混合物、 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）。复合材料层压板夹着一个结构芯，该结构芯由几种木材混合物中的一种制成，旨在产生滑雪板所需的刚度、阻尼和整体性能。混合物中的其他材料包括超高分子量聚乙烯（UHMWPE）侧壁、硫化橡胶、钢外边缘和带有装饰图案的尼龙混合顶层。

麦凯布（McCabe）解释说，在滑雪板中，玻璃纤维或碳纤维充当了包裹木芯的“支撑机制”。“它具有结构性，增加了强度，是将一切结合在一起的。”

在 Folsom 的工艺中，模具是第一个在内部进行数控加工的。切割干燥的玻璃纤维或碳纤维织物，在铺层台上，技术人员用 Forrest Technical Coatings（Eugene，Ore.， U.S.）的 2K 液体环氧树脂预饱和。这些织物铺在模具中，与木芯、侧壁、橡胶和顶片材料分层，每层之间涂有环氧树脂。整个叠层是在特定的热和压力下压缩成型的。

麦凯布说：“使用这些不同的材料，所有这些材料都具有不同的热力学性质，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。”。“你只能打一枪，而且必须非常精确。”

引入石墨烯增强

Folsom的100%碳纤维滑雪板一直重量轻、性能高，但麦凯布表示，该公司一直不愿进入超轻滑雪板市场（通常为 1700 克或以下），也不愿牺牲性能、强度和稳定性来极端减重。

多年来，他一直听说石墨烯，并对其在提高滑雪板机械性能的同时减少整体材料使用的潜力感兴趣，这相当于一种重量较轻的滑雪板，仍然符合 Folsom 的高性能标准。

然而，一开始他对尝试石墨烯犹豫不决。Folsom 很难找到一家供应商，该供应商能够为像Folsom这样的小公司提供足够少量的材料——此外，麦凯布承认他一开始有点怀疑。他说：“我对石墨烯很感兴趣，但我无法想象它会带来这么大的变化。”。“我们对产品中使用的材料非常谨慎。我们生产高性能、高质量的产品，需要确保我们投入的一切都能以积极的方式产生重大影响。”

然后在2020 年， Folsom被引入Mito Material Solutions（Mito，Indianapolis，Ind.，U.S.），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）聚合物相结合。

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——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产品的分层而开发的。

Mito material Solutions首席执行官海莉·凯斯（Haley Keith）解释道，E-GO可作为液体树脂的粉末添加剂或预浸料的喷雾，专门设计为一种混合材料，因此它“与环氧树脂系统化学兼容，在血小板形态水平上与纤维相互作用”。POSS 是一种具有环氧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体中。”

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，但由于石墨烯也参与其中，它还具有减振、导热和导电等其他优点。E-GO也是首个被石墨烯理事会授予验证功能石墨烯地位的产品。

凯斯解释说，该公司很早就意识到，最好的战略是开始瞄准特定的终端市场。高性能体育用品被确定为一个利基市场，可以从 MITO ®材料的机械性能收益和化学键合收益中看到优势。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，从树脂制造商和复合材料制造商到零部件制造商，包括Folsom。

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，看看它是否能成为进入超轻旅行滑雪类别的门票。

 

 

将石墨烯添加到混合物中。对于其原始原型， Folsom 的技术人员在环氧树脂中测量了 10 克 E-GO，环氧树脂被添加到 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铺设。

第一批原型

2021 年，Folsom 制造了第一个石墨烯增强滑雪板原型。为此，将 10 克粉末形式的E-GO简单地添加到Folsom现有滑雪板的环氧树脂中，这是该公司度假滑雪板的典型结构，使用90%玻璃纤维/10%碳纤维复合材料混合物。这些滑雪板一般用于指定的滑雪场和斜坡，滑雪者由滑雪缆车带到斜坡顶部。

麦凯布解释说，Folsom遵循一个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偏转。对于每一块滑雪板，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偏转的程度。还进行了一项“拍打测试”来测试振动阻尼，即加速度计测量滑雪板从表面拉出时阻尼或关闭振动的速度。

然而，任何滑雪的真正考验都是在斜坡上，麦凯布说：“你无法在测试实验室复制在真正斜坡上的条件。”

麦凯布本人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，同时佩戴一块石墨烯增强型滑雪板和一块普通滑雪板进行比较。

最初的结果？滑雪板更轻、更硬、更强，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“颤动”或振动。麦凯布说：“事实证明，这是我们滑雪板感觉和反应方式的一个重大变化。”。然而，他补充道，将 E-GO 添加到典型的度假滑雪建筑中， “对于 Folsom 的大部分客户来说，可能产生了太强大的滑雪效果”。

此外，为每个构建手动测量和合并E-GO粉末，在制造过程中增加了额外的步骤和变量。McCabe解释说，使用粉末添加剂可能很有挑战性，有溢出的风险，手工混合的不一致性以及过程中增加的时间。

这些最初的原型证明了少量石墨烯可以为需要轻质和高性能的正确类型的滑雪应用提供显著的机械性能增强。

石墨烯增强的重新设计

旅行滑雪板最终比 Folsom 最初尝试的度假滑雪板 更适合。旅游滑雪板专为在偏远地区的滑雪场外使用而 设计，必须能够承受不可预测的条件，并在不可预见的 条件下表现良好，而且重量轻比度假滑雪板更重要，因为它们需要在没有滑雪升降机的情况下提上斜坡。Folsom之前的100%碳纤维巡回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超过1800或2300 克（3.9 至 5.07 磅），因为 Folsom 不愿意通 过使滑雪板更薄、更轻来损害滑雪板的稳定性和强度。相比之下，市场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的加入为减轻重量提供了机会，提高了滑雪板的强度和韧性，使一些原始材料不再需要。因此， Folsom 重新设计了其基线碳纤维复合材料滑雪板的材料构成，以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的典型白杨/竹子芯的厚度显著减小。此外，去除了较重的竹材料，并减小了 UHMWPE 侧壁的尺寸。

这些材料的变化使整个滑雪板的重量减轻了300克——“这太疯狂了，” 麦凯布强调道。他补充道，“当然，在滑雪板中添加添加剂是有成本的，但我们正在降低其他材料的材料成本。”

 

重新设计，重量更轻。石墨烯的加入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，与其他超轻旅行滑雪板相比更具竞争力。

经过机械和现场测试，石墨烯增强滑雪板于2022年以UltraLite结构风格推出，可用于Folsom的任何滑雪形状。

除了重量节省之外，与Folsom之前的巡回滑雪板选项相比，UltraLite 滑雪板还具有优势，例如更高的强度可获得更强大的性能、改进的减振性能和降低分层风险，因为E-GO可促进材料与增强型环氧树脂之间更好的粘合。

麦凯布说，E-GO的加入“有助于我们将环氧树脂更深地渗透到木材和滑雪板的所有区域，这是非常重要的”。他解释说，滑雪板最常见的故障之一是分层，因为滑雪板，尤其是巡回滑雪板，会受到恶劣的条件和温度的影响。E-GO增强型滑雪板具有更强的结合力，并且出现的分层更少。

 

证明E-GO。对于 Mito 来说，Folsom 的 UltraLite 滑雪板是如何使用 E-GO 等混合添加剂来增强和优化复合材料零件的一个例子。MITO ®还与公司合作，重新设计和优化石墨烯增强高尔夫球杆、鱼竿等。

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介绍给其技术涂料供应商Forrest technical coatings。从 2023年开始，该公司开始将E-GO直接纳入更大批次的环氧树脂中，以环氧树脂Mito E-GO Res-1和硬化剂Mito Tri-Hdnr-1的形式出售。

有了这些产品，客户可以像往常一样使用硬化剂和环氧树脂，而不需要将E-GO粉末本身添加到基体中。Keith说：“最终，与Forrest的合作使我们有机会为客户提供一种新的产品，提高生产效率。”。麦凯布补充道，在Folsom，“我们已经完全转向了（这些产品）。它让我们的生活变得更轻松，而且工作性似乎与普通树脂没有什么不同。”

麦凯布总结道：“我们最终能够以一种超轻的滑雪板进入超轻滑雪市场，这种滑雪板仍然能很好地滑雪，并符合Folsom的标准。”在接下来的两年里， Folsom计划将其大部分高性能滑雪板迁移到 E-GO增强的UltraLite结构。

注：原文见《 Ultra-lightweight skis demonstrate potential of graphene-reinforced composites 》 2023.5.22

杨超凡 2024.1.9