一种跑鞋用碳板及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种跑鞋用碳板及其制备方法，属于鞋配件领域。


背景技术：

2.市面上有一类鞋子，在鞋底中加入用于增强支撑性能和回弹性能的踏板，从而弥补了鞋底的支撑性能和回弹性能，能够更加高效地辅助足部的推进。
3.例如在授权公告号cn215532060u，名称为“一种新型助推减震鞋底”的中国实用新型中，其在第一中底与第二中底之间设置碳纤维板。再如授权公告号cn213487263u，名称为“一种含有竞速碳板的运动鞋”的中国实用新型中，其在鞋底中设置竞速碳板。在行业内部所谓的“碳板”，是一种碳纤维增强树脂复合材料，它主要由纤维材料和树脂材料组成。碳纤维具有高比强、抗拉伸、低弯曲、低伸长的特性，因此碳板具有高弹性模量，高拉伸强度的特点，但是其不抗剪切和弯折，韧性较差，难以根据跑步的受力特点兼顾支撑性和快速相应，影响推进性能和用户体验。
4.鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够兼顾支撑性和响应速度的跑鞋用碳板，本发明的另一目的在于提出该碳板的制作方法。
6.为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
7.一种跑鞋用碳板，包括碳板本体，碳板本体对应各跖骨的区域设为跖骨区，跖骨区依次设为第一跖骨区、第二跖骨区、第三跖骨区、第四跖骨区以及第五跖骨区，第一跖骨区、第二跖骨区、第四跖骨区以及第五跖骨区的弹性模量均小于第三跖骨区的弹性模量。
8.作为本发明的优选方式，所述第五跖骨区的弹性模量小于所述第四跖骨区的弹性模量。
9.作为本发明的优选方式，所述碳板本体还包括对应脚趾的设置的脚趾区，脚趾区包括对应大拇指设置的第一区域和对应第二脚趾至第五脚趾设置的第二区域。
10.作为本发明的优选方式，所述碳板本体还包括对应人体足弓设置的中足区和对应脚后跟设置的后跟区，所述碳板本体对应人体脚背内侧的一侧设为内侧，对应脚背外侧的一侧设为外侧，后跟区分为对应所述碳板本体的内侧设置的第三区域和对应所述碳板本体的外侧设置的第四区域。
11.作为本发明的优选方式，所述碳板本体包括通过树脂胶粘剂复合在一起的碳纤维层和聚酰亚胺纤维层，碳纤维层和聚酰亚胺纤维层均为多层。
12.作为本发明的优选方式，以所述碳板本体的内侧外侧方向为左右方向，以所述碳板本体的脚趾区为前，以所述碳板本体的后跟区为后，所述碳纤维层和所述聚酰亚胺纤维层均沿前后方向延伸，所述碳纤维层和所述聚酰亚胺纤维层沿左右方向排布在所述碳板本体的左右方向区域形成不同的弹性模量，所述碳纤维层和所述聚酰亚胺纤维层在上下方向
堆叠形成厚度在0.8-1.2mm的所述碳板本体。
13.作为本发明的优选方式，所述脚趾区的宽度在3-6cm，所述跖骨区的宽度在5-8cm,所述中足区的宽度在4-5cm，所述后跟区的宽度在4-7cm,所述第一跖骨区的宽度为1-1.5cm，所述第二跖骨区的宽度为1-1.5cm，所述第三跖骨区和所述第四跖骨区的宽度均为3-4cm，所述第五跖骨区的宽度为1-1.5cm。
14.作为本发明的优选方式，所述第一跖骨区和所述第二跖骨区均至少设置3层所述聚酰亚胺纤维层，所述第三跖骨区和所述第四跖骨区均至少设置1层所述聚酰亚胺纤维层，所述第五跖骨区至少设置5层所述聚酰亚胺纤维层，所述脚趾区向所述跖骨区通过平滑的弧度过渡，弧度的曲率范围为9-12，所述跖骨区在长度方向具有平滑的弧度，弧度的曲率范围在5-9，所述跖骨区从所述第一跖骨区至所述第五跖骨区通过平滑的弧度过渡，弧度的曲率在8-12，所述中足区在长度方向具有平滑的弧度，弧度曲率范围在4-7，所述中足区从外侧向内侧具有平滑的弧度，弧度曲率范围在2-6，所述后跟区在长度方向具有平滑的弧度，弧度曲率范围在4-6。
15.本发明还提出了一种跑鞋用碳板的制备方法，包括碳板本体，碳板本体对应各跖骨的区域设为跖骨区，跖骨区包括依次设为第一跖骨区、第二跖骨区、第三跖骨区、第四跖骨区以及第五跖骨区，根据跑步过程中，各跖骨区受力情况设置不同的弹性模量，在弱受力部位设置较小的弹性模量，在强受力部位设置较大的弹性模量，第一跖骨区、第二跖骨区、第四跖骨区以及第五跖骨区的弹性模量均小于第三跖骨区的弹性模量。
16.作为本发明的优选方式，将浸渍树脂的碳纤维层和/或聚酰亚胺纤维层沿左右方向排布形成第一层铺层，将浸渍树脂的碳纤维层和/或聚酰亚胺纤维层沿上下方向排布形成第二铺层，将第一铺层和第二铺层模压固化形成所述碳板本体。
17.采用本发明的技术方案后，根据脚掌各区域的发力过程和受力的不同，设计碳板结构，使其在不同的部位具有不同的力学响应，在弱受力部位设计较低的弹性模量，使该部位碳板能够快速响应，弯曲形变；在强受力部位设计较大的弹性模量，使该部位能够提供足够的支撑。本发明还提出了该碳板的制作方法，其通过碳纤维层和聚酰亚胺纤维层的排布形成不同区域具有不同性能的碳板，能够兼顾碳板的支撑性和快速响应。
附图说明
18.图1为本发明的俯视图。
19.图2为本发明的侧视图。
20.图3为图1中a-a处的剖视图。
21.图4为图2中b-b处的剖视图。
22.图5为本发明中步骤一的纤维铺层示意图。
23.图6为本发明中步骤二的纤维铺层示意图。
24.图7为本发明中步骤三的纤维铺层示意图。
25.图8为本发明中步骤四的纤维铺层示意图。
26.图9为本发明中步骤五的纤维铺层示意图。
27.图10为本发明中步骤六的纤维铺层示意图。
28.图11为本发明中步骤七的纤维铺层示意图。
29.图12为本本发明中纤维铺层断面示意图。
30.图中：
31.碳板本体100第一区域101
32.第二区域102第一跖骨区201
33.第二跖骨区202第三跖骨区203
34.第四跖骨区204第五跖骨区205
35.中足区301第三区域401
36.第四区域402碳纤维层10
37.聚酰亚胺纤维层20
具体实施方式
38.为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合实施例进行详细阐述。
39.参照图1至图12，一种跑鞋用碳板，包括碳板本体100，碳板本体100对应各跖骨的区域设为跖骨区，跖骨区(也即ⅱ区)依次设为第一跖骨区201、第二跖骨区202、第三跖骨区203、第四跖骨区204以及第五跖骨区205，第一跖骨区201、第二跖骨区202、第四跖骨区204以及第五跖骨区205的弹性模量均小于第三跖骨区203的弹性模量。本发明的碳板用于跑鞋中，可以像现有技术那样，将碳板设置在两个中底之间。
40.作为本发明的优选方式，所述第五跖骨区205的弹性模量小于所述第四跖骨区204的弹性模量。作为本发明的优选方式，所述碳板本体100还包括对应脚趾的设置的脚趾区(也即ⅰ区)，脚趾区包括对应大拇指设置的第一区域101和对应第二脚趾至第五脚趾设置的第二区域102。
41.本发明中，碳板本体100可以仅仅对应脚掌前部设置，在实施例中，其形状与整个足掌对应，碳板本体100根据成年穿着者实际脚掌的长度，其长度是实际脚掌长度的80％-90％。本发明中，所述碳板本体100还包括对应人体足弓设置的中足区301(也即ⅲ区)和对应脚后跟设置的后跟区(也即ⅳ区)，所述碳板本体100对应人体脚背内侧的一侧设为内侧，对应脚背外侧的一侧设为外侧，后跟区分为对应所述碳板本体100的内侧设置的第三区域401和对应所述碳板本体100的外侧设置的第四区域402。
42.本发明，从生物力学角度对跑步过程中脚掌发力过程进行分析，将脚掌分为四个大区，十个小区，脚掌在跑步前进过程中，脚掌与地面的接触，自后跟向前脚掌，自脚外侧向脚内侧进行过渡，脚掌的受力也随之产生。但根据脚掌压力的分析，脚掌各区域在跑步过程中产生的压力具有很大的差异，当发力区域从第五跖骨向第一跖骨过渡时，受力先增大后减小，在第三跖骨出达到峰值，随后减小，反映出脚掌各区域在跑步过程中发挥的作用各不相同。
43.作为本发明的优选方式，所述碳板本体100包括通过树脂胶粘剂复合在一起的碳纤维层10和聚酰亚胺纤维层20，碳纤维层10和聚酰亚胺纤维层20均为多层。在行业内部所谓的“碳板”，是一种碳纤维增强树脂复合材料，它主要由纤维材料和树脂材料组成。通过调控纤维材料的性能和堆砌结构可以有效地调控复合材料的性能。碳纤维具有高比强、抗拉伸、低弯曲、低伸长的特性，因此碳板具有高弹性模量，高拉伸强度，但其不抗剪切和弯折，韧性较差；聚酰亚胺纤维具有较高的比强度、较好的抗拉伸性能，同时具有较大的伸长和较
好的韧性。能够弥补碳纤维刚性大、韧性差的不足。
44.在跑步过程中，嵌入鞋底的碳板会发生弯曲，特别是在前脚掌的跖骨区域，弯曲型变量最大，据实验分析，对于植入碳板的运动鞋，跖骨部位的最大弯曲角度能够达到15
°
左右，因此跑步对碳板的弯曲性能有更高的要求。
45.作为本发明的优选方式，以所述碳板本体100的内侧外侧方向为左右方向，以所述碳板本体100的脚趾区为前，以所述碳板本体100的后跟区为后，所述碳纤维层10和所述聚酰亚胺纤维层20均沿前后方向延伸，所述碳纤维层10和所述聚酰亚胺纤维层20沿左右方向排布在所述碳板本体100的左右方向区域形成不同的弹性模量，所述碳纤维层10和所述聚酰亚胺纤维层20在上下方向堆叠形成厚度在0.8-1.2mm的所述碳板本体100。
46.作为本发明的优选方式，所述脚趾区的宽度在3-6cm，所述跖骨区的宽度在5-8cm,所述中足区301的宽度在4-5cm，所述后跟区的宽度在4-7cm,所述第一跖骨区201的宽度为1-1.5cm，所述第二跖骨区202的宽度为1-1.5cm，所述第三跖骨区203和所述第四跖骨区204的宽度均为3-4cm，所述第五跖骨区205的宽度为1-1.5cm。
47.作为本发明的优选方式，所述第一跖骨区201和所述第二跖骨区202均至少设置3层所述聚酰亚胺纤维层20，所述第三跖骨区203和所述第四跖骨区204均至少设置1层所述聚酰亚胺纤维层20，所述第五跖骨区205至少设置5层所述聚酰亚胺纤维层20，所述脚趾区向所述跖骨区通过平滑的弧度过渡，弧度的曲率范围为9-12，所述跖骨区在长度方向具有平滑的弧度，弧度的曲率范围在5-9，所述跖骨区从所述第一跖骨区201至所述第五跖骨区205通过平滑的弧度过渡，弧度的曲率在8-12，所述中足区301在长度方向具有平滑的弧度，弧度曲率范围在4-7，所述中足区301从外侧向内侧具有平滑的弧度，弧度曲率范围在2-6，所述后跟区在长度方向具有平滑的弧度，弧度曲率范围在4-6。本发明中，各区域不是独立运作，而是连续的一个整体，使得力传导过程顺畅。
48.本发明还提出了一种跑鞋用碳板的制备方法，包括碳板本体100，碳板本体100对应各跖骨的区域设为跖骨区，跖骨区包括依次设为第一跖骨区201、第二跖骨区202、第三跖骨区203、第四跖骨区204以及第五跖骨区205，根据跑步过程中，各跖骨区受力情况设置不同的弹性模量，在弱受力部位设置较小的弹性模量，在强受力部位设置较大的弹性模量，第一跖骨区201、第二跖骨区202、第四跖骨区204以及第五跖骨区205的弹性模量均小于第三跖骨区203的弹性模量。
49.作为本发明的优选方式，将浸渍树脂的碳纤维层10和/或聚酰亚胺纤维层20沿左右方向排布形成第一层铺层，也即第一层铺层中，可以全部为碳纤维层10或聚酰亚胺纤维层20，或者碳纤维层10和聚酰亚胺纤维层20交替排布，将浸渍树脂的碳纤维层10和/或聚酰亚胺纤维层20沿上下方向排布形成第二铺层，将第一铺层和第二铺层模压固化形成所述碳板本体100。
50.优选地，本发明的碳板本体100铺层至少为七层，以七层为例，采用如下方式制作：
51.该实施例计划排布七层纤维，纤维从底层到顶层分别为第一层至第七层。cf代表碳纤维层10，pi代表聚酰亚胺纤维层20，图中用不同填充密度的方块进行表示，在第一跖骨区201和第二跖骨区202，纤维排布为cf/pi/cf/cf/cf/pi/pi；在第三跖骨区203域和第四跖骨区204域，纤维排布为cf/cf/cf/cf/cf/cf/pi；在第五跖骨区205域，纤维排布为cf/pi/pi/cf/pi/pi/pi。
52.为了让保证力传导的顺畅和碳板的整体性，同一铺层的纤维连续不间断，以第一跖骨、第二跖骨、第三跖骨、第四跖骨、第五跖骨纤维排布为基础，进行延伸，获得整只碳板的纤维排布。再经过模压固化工艺，使碳板形成三维的异形结构，其中碳板在ⅰ区向ⅱ区过渡时具有平滑的弧度，弧度的曲率ρ1在10-12之间平滑过渡。碳板在ⅱ区内长度方向上具有平滑的弧度，弧度的曲率ρ2在5.5-8.3之间平滑过渡。碳板在ⅱ区内的第一跖骨区201域到第五跖骨区205域的过渡具有平滑的弧度，弧度的曲率ρ3在9-11之间平滑过渡。碳板在ⅲ区内长度方向具有向上的弧度，为足弓部位提供支撑，弧度的曲率ρ4在4-6之间平滑过渡。碳板在ⅲ区内从外侧向内侧具有平滑的弧度，弧度的曲率ρ5在3-6之间平滑过渡。碳板在ⅳ区内长度方向具有弧度，为脚跟提供支撑，弧度的曲率ρ6在4-6之间平滑过渡。
53.每一层纤维的排列方式，在制备预浸料的过程中，根据设计需求定制。在纤维铺展成形时，将12k cf与1500d pi穿插铺层。如图5中为全碳纤维铺层(约为6束cf纤维束的展宽)；图6中从左至右先铺2.5cm左右宽的pi(约8束pi纤维束的展宽)，再铺2cm左右宽的cf(约为2束cf纤维束的展宽)，再铺1.5左右宽的pi(约4束pi纤维束的展宽)；图7从左至右先铺5cm左右宽的cf(约5束cf纤维束的展宽)，再铺1.5cm左右宽的pi(约4束pi纤维束的展宽)；图8中为全碳纤维铺层(约为6束cf纤维束的展宽)；图9从左至右先铺5cm左右宽的cf(约5束cf纤维束的展宽)，再铺1.5cm左右宽的pi(约4束pi纤维束的展宽)；图10中从左至右先铺2.5cm左右宽的pi(约8束pi纤维束的展宽)，再铺2cm左右宽的cf(约为2束cf纤维束的展宽)，再铺1.5cm左右宽的pi(约4束pi纤维束的展宽)；图11中为全聚酰亚胺纤维铺层(约为18束pi纤维束的展宽)。得到的每一层预浸料都进行了预含浸，浸入了环氧树脂，根据铺层顺序堆叠后，在120℃下，模压固化30分钟，得到成品碳板(单层纤维铺层厚度在0.1-0.12mm。
54.根据测算，第五跖骨对应区域较第三和第四跖骨对应区域，弯曲模量减小约40％，弯曲破坏应变提高约3倍，达到约5.5％。意味着第五跖骨区域在受到小应力作用下即可获得较大的形变效果。
55.本发明的产品形式并非限于本案实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。