Properties of carbon fiber reinforced composites in ice hockey sticks

Abstract

Ice hockey involves high skating speeds, stick shooting speeds, and especially very high puck speeds, which results in great impacts. Thus, the equipment of the sport in question is required to have highly advanced technical characteristics, and extreme durability. In addition to these features, the technology used especially in sticks, aims to enable players to reach their full potential in game situations. The materials used in hockey sticks have changed and evolved at a fast pace in recent decades. This thesis examines the material currently mainly used in ice hockey sticks, a carbon reinforced composite. The aim of the thesis is to study the use of carbon fiber composite material in ice hockey sticks, its failure mechanisms, and their detection. With an understanding of the properties that carbon fiber brings to the structure, the technical properties of a stick shaft are further investigated. To provide background information, the thesis first introduces the parts that make up hockey sticks and their fast-paced development history. Regarding the mechanical and technical material properties of ice hockey sticks, the work is divided into two parts. The first part examines at a theoretical level the structure of a carbon fiber reinforced composite material used on a stick shaft, its properties, defects and their detection methods. Based on the results of experimental studies, the second part deals with stiffness properties of the ice hockey stick shaft and the effect of the stiffness on a slap shot. The thesis found that the destruction of the stick during a slap shot is currently the biggest problem considering the properties of a stick. As a research finding, it was observed that a failure detection method for ice hockey stick structure is lacking in the field. Non-destructive material testing can be utilized to study the condition of the structure of components without making changes to the structure itself. The developments of a detection method suitable for the structure of an ice hockey stick could raise awareness of internal defects. Increased awareness could validate decisions on the continued use of sticks and thus reduce breaking of a stick in critical scoring situations.

Jääkiekossa esiintyy suuria luistelunopeuksia, mailan lyöntinopeuksia sekä erityisesti erittäin suuria kiekon nopeuksia, joista aiheutuu kovia iskuja. Siten kyseisen urheilulajin varusteilta vaaditaan pitkälle kehitettyneitä teknisiä ominaisuuksia sekä äärimmäistä kestävyyttä. Näiden ominaisuuksien lisäksi etenkin mailoissa käytettävällä teknologialla pyritään mahdollistamaan pelaajien täyden potentiaalin hyödyntäminen pelitilanteissa. Jääkiekkomailoissa käytettävät materiaalit ovat vaihtuneet ja kehittyneet viimeisten vuosikymmenten aikana nopealla tahdilla. Tässä tutkielmassa tarkastellaan tällä hetkellä jääkiekkomailoissa pääosin käytettävää materiaalia, hiilikuitulujitteista komposiittia. Työn tavoitteena on tutkia hiilikuitukomposiittimateriaalin käyttöä jääkiekkomailoissa, sen vikakäyttäytymismalleja ja niiden havaitsemista. Hiilikuitujen rakenteeseen tuomien ominaisuuksien ymmärtämisen myötä, tässä työssä tutkitaan edelleen jääkiekkomailan varren teknisiä ominaisuuksia. Työssä tutustutaan ensin lyhyesti pohjatietojen tarjoamiseksi osiin, joista jääkiekkomailat koostuvat sekä niiden nopeatempoiseen kehityshistoriaan. Mailojen mekaanisten ja teknisten materiaaliominaisuuksien osalta työ jakaantuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa tarkastellaan teoreettisella tasolla jääkiekkomailan varressa käytettävän hiilikuitulujitteisen komposiittimateriaalin rakennetta, sen ominaisuuksia sekä kyseisen materiaalin rakenteessa esiintyviä vikoja ja niiden havaitsemismenetelmiä. Toisessa osassa käsitellään kokeellisten tutkimusten tulosten perusteella jääkiekkomailan varren jäykkyysominaisuuksia ja niiden vaikutusta lyöntilaukaukseen. Työssä havaittiin, että mailan hajoaminen lyöntilaukauksen aikana on tällä hetkellä suurin ongelma mailan teknisiä ominaisuuksia tarkastellessa. Tutkimuslöydöksenä havaittiin puute jääkiekkomailojen rakenteen vikojen havaitsemismenetelmissä. Rikkomattomalla aineenkoetuksella voidaan tutkia komponenttien rakenteen kuntoa tekemättä muutoksia itse rakenteeseen. Jääkiekkomailojen rakenteeseen sopivan tutkimusmentelmän kehittämisellä voitaisiin lisätä tietoisuutta mailojen rakenteisiin syntyneistä sisäisistä vioista. Lisääntyneellä tietoisuudella voitaisiin pätevöittää päätöksiä mailojen jatkokäytöstä ja näin vähentää mailan rikkoontumista kriittisissä maalintekotilanteissa.