碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用價(jià)值研究?

佟 彬

（黑龍江科技大學(xué)體育部，黑龍江 哈爾濱150027）

碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用價(jià)值研究?

佟 彬

（黑龍江科技大學(xué)體育部，黑龍江 哈爾濱150027）

碳纖維復(fù)合材料由于其本身具有的良好性能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。就碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行研究，分析纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)以及應(yīng)用到體育器材上的優(yōu)勢(shì)，再?gòu)倪x材、產(chǎn)品類型、應(yīng)用實(shí)例等方面進(jìn)行深入的分析探究。

碳纖維復(fù)合材料；體育器材；應(yīng)用

1 前言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們的生活水平日益提高，體育健身成為人們的一種生活方式，既鍛煉了身體又使心靈得到放松，所以體育深入到人們的生活之中。人們對(duì)體育的關(guān)注促進(jìn)了體育事業(yè)的發(fā)展，體育事業(yè)的發(fā)展必定會(huì)催生更多的需求，例如對(duì)科學(xué)訓(xùn)練的需求，對(duì)新型體育器材的需求，這些需求必然會(huì)使體育器材的市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大。本文就碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行研究，目前為止，纖維復(fù)合材料的種種特點(diǎn)都促使其在體育器材領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，體育器材是體育愛(ài)好者與運(yùn)動(dòng)員的必備武器，是他們提高鍛煉效果與水平的基礎(chǔ)。創(chuàng)新是發(fā)展的必備條件之一，碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用是一種創(chuàng)新方式，也是未來(lái)體育器材發(fā)展的一個(gè)方向。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

木質(zhì)材料、金屬材料是以往體育器材的主要材料，而現(xiàn)在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸被人們所接受并喜歡，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有其他普通材料所沒(méi)有的特點(diǎn)，下面我們對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 質(zhì)輕

人們借助體育器材進(jìn)行鍛煉，除了特殊項(xiàng)目的體育器材要求重量以外，一般都要求體育器材越輕越好，質(zhì)輕有助于使用者更好地發(fā)揮水平，就像網(wǎng)球拍、球桿類、自行車等體育器材，甚至是帆船及賽車類這些需要借助動(dòng)力的機(jī)械類體育器材也同樣要求材料質(zhì)輕，這樣可以減少動(dòng)力要求，節(jié)省燃料。所以質(zhì)輕這個(gè)優(yōu)點(diǎn)能夠給運(yùn)動(dòng)者帶來(lái)方便的同時(shí)還能節(jié)約能耗，可謂是兩全其美。

2.2 具有良好的力學(xué)性能

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度、彈性及韌性都是極好的，這是普通材料所不能比擬的，而它的這些特點(diǎn)與體育器材使用過(guò)程中需要考慮的力學(xué)性能不謀而合，所以它是體育器材用料的絕佳選擇。再次，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料易加工，可塑造性強(qiáng)。普通材料由于自身性能的局限性，可塑造性差，一般壞了就很難恢復(fù)，而且修理費(fèi)用頗高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料卻沒(méi)有這樣的后顧之憂，它具有極強(qiáng)的可塑造性，所以設(shè)計(jì)起來(lái)更加隨意多變，這是其他普通材料沒(méi)法比的。

2.3 衛(wèi)生、安全

綜合來(lái)講，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不僅具有優(yōu)良的性能而且它還屬于環(huán)保性材料，所以在衛(wèi)生性及安全性上它還是很有保障的。而且有些復(fù)合型材料還是可以回收的，這就在一定程度上大大降低了制造體育器材的成本，這對(duì)于體育器材的發(fā)展與推廣是非常有利而且是有價(jià)值的。所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到體育器材中的前景非常廣闊。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料選用的材料及結(jié)構(gòu)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要選用無(wú)機(jī)纖維、高強(qiáng)高模合成纖維，結(jié)構(gòu)是其增強(qiáng)專門用的結(jié)構(gòu)。纖維材料一般選用兩種或者兩種以上混合使用，這樣能夠更好的滿足增強(qiáng)效果。下面來(lái)詳細(xì)論述這些材料的種類特點(diǎn)。

3.1 無(wú)機(jī)纖維

無(wú)機(jī)纖維可分為四種。第一種是玻璃纖維，此類復(fù)合材料目前已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，因?yàn)樗拈_(kāi)發(fā)相對(duì)于其他復(fù)合材料是要早一點(diǎn)的。玻璃纖維最重要的優(yōu)點(diǎn)是延展性好、剛度較大、沖擊力強(qiáng)等。第二是碳纖維，碳纖維的主要優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度與比模量高，這同時(shí)也造成它的粘附力差，再加上潤(rùn)濕度低，所以我們?cè)谑褂锰祭w維時(shí)要事先對(duì)其表面進(jìn)行活化處理。碳纖維的主要優(yōu)點(diǎn)是具有良好的耐熱性、剛性及強(qiáng)度。第三是硼纖維，它的主要材料是增強(qiáng)樹(shù)脂與金屬，屬于高強(qiáng)高模纖維的一種，它的性能是極佳的。第四是碳化硅纖維，其主要優(yōu)點(diǎn)是易拉伸、比模量高、具有極高的耐熱性，而且其可以與塑料、金屬等多種材料進(jìn)行復(fù)合，而且它具有良好的抗壓性及耐磨性。

3.2 高強(qiáng)高模合成纖維

高強(qiáng)高模合成纖維可分為三種。 第一為芳香族聚酰胺纖維，其具有良好的粘結(jié)性，與樹(shù)脂結(jié)合能夠制作出特殊的絲紗織物產(chǎn)品，此類纖維的顯著特點(diǎn)是能夠耐高溫、密度較低、強(qiáng)度與比模量相對(duì)較高，所以用它材料制成的體育器材具有較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度與彈性模量。第二為超高模量聚乙烯纖維，此種纖維顯著的優(yōu)點(diǎn)有：低密度、高強(qiáng)度、相對(duì)穩(wěn)定、適應(yīng)性好。但是同時(shí)它的粘著性較差，同樣要用特殊方法將其表面進(jìn)行處理后方可使用。第三為混雜纖維，何謂混雜纖維，它是指兩種短纖維或兩種長(zhǎng)絲混雜, 又或者纖維組成的包芯與樹(shù)脂基體進(jìn)行復(fù)合，這都稱為混雜纖維?；祀s纖維因其多樣性，所以可滿足不同種類生產(chǎn)的需要及應(yīng)用。

3.3 織物結(jié)構(gòu)

織物結(jié)構(gòu)是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中常用的材料，纖維材料間容易出現(xiàn)纏結(jié)、剪切效應(yīng)，但是織物結(jié)構(gòu)就能避免出現(xiàn)這樣的缺陷，這是其顯著的特點(diǎn)。應(yīng)用織物結(jié)構(gòu)形成的預(yù)成型件能夠制作出具有多樣性的產(chǎn)品，例如不同的形狀、不同的結(jié)構(gòu)，這樣可以更好的滿足多種需求。這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品與基體樹(shù)脂結(jié)合比較簡(jiǎn)單，一次即可成型，省時(shí)省力。3.4基體樹(shù)脂

基體樹(shù)脂主要有不飽和樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂三種。在三者中不飽和樹(shù)脂的用途最廣，環(huán)氧樹(shù)脂的發(fā)展最快。不飽和樹(shù)脂其主要特點(diǎn)是固化后可透明也可不透明，具有良好的堅(jiān)韌性，但是耐光性差，上色容易；對(duì)具有腐蝕性的鹽和酸具有相對(duì)穩(wěn)定性；固化后的固體是可燃的，而且耐熱性極差；質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，方便取材，和大多數(shù)材料都能進(jìn)行復(fù)合，所以它應(yīng)用的范圍比較廣。環(huán)氧樹(shù)脂其主要優(yōu)點(diǎn)是粘結(jié)力佳，但是固化后產(chǎn)品脆度高易折，所以我們需要采取相應(yīng)的手段進(jìn)行處理，可在其中添加增韌劑進(jìn)行調(diào)和，增加制品的韌性，改善其性能。最后，熱塑性樹(shù)脂，其初步開(kāi)始在體育器材行業(yè)應(yīng)用，例如尼龍、聚碳酸酯等熱塑性樹(shù)脂。

4 應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的體育器材種類

4.1 高爾夫球桿

我們知道高爾夫球是一種貴族運(yùn)動(dòng)，球的初速度對(duì)于進(jìn)行高爾夫球運(yùn)動(dòng)來(lái)講至關(guān)重要，它對(duì)高爾夫球桿的要求甚高。傳統(tǒng)的高爾夫球桿棒頭是用柿木制成的，但是柿木較重，不利于運(yùn)動(dòng)員的隨意掌控，后來(lái)出現(xiàn)了用纏繞法把碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成了黑桿，黑桿的出現(xiàn)使過(guò)去的球桿被淘汰。黑桿的棒頭較輕，這樣能夠更好地提高球的初速度。另外由于復(fù)合材料的可塑性特點(diǎn)，黑桿可設(shè)計(jì)的維度更大，這樣能夠使球在飛行的過(guò)程中更加的穩(wěn)定。隨著復(fù)合材料及工藝的發(fā)展，對(duì)高爾夫球桿不斷進(jìn)行完善，使其在重量、尺寸等基礎(chǔ)方面性能更加優(yōu)異。具有高強(qiáng)度、高彈性的高檔高爾夫球桿性能更加穩(wěn)定，使用壽命增長(zhǎng)，最突出的特點(diǎn)是使使用者能夠完美地發(fā)揮高爾夫球技, 所以采用碳纖維復(fù)合材料制成的高檔高爾夫球桿具有廣闊的市場(chǎng)。

4.2 滑雪板

滑雪運(yùn)動(dòng)在近幾年受越來(lái)越多的人的喜愛(ài)，而滑雪運(yùn)動(dòng)中的滑雪板卻是關(guān)鍵性的體育器材，它對(duì)運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)起到至關(guān)重要的作用，而且關(guān)系到使用者的安全問(wèn)題，所以我們需要針對(duì)這些問(wèn)題想出相對(duì)應(yīng)的解決方案。我們應(yīng)該使滑雪板在重量上更輕，增強(qiáng)減震性能，延長(zhǎng)使用壽命，所以復(fù)合材料是其絕佳的選擇。采用玻璃纖維等復(fù)合材料能夠制作出性能更加優(yōu)異的滑雪板，它比以往的木質(zhì)及金屬材料的滑雪板要好得多，木質(zhì)的易變形毀壞，而金屬的適應(yīng)性又極差，而復(fù)合材料滑雪板沒(méi)有這樣的后顧之憂，同時(shí)還能增加滑雪板的韌性，增加使用壽命。

4.3 網(wǎng)球拍

網(wǎng)球拍也是比較常見(jiàn)的體育器材，現(xiàn)在市面上的中高端網(wǎng)球拍都是采用的碳纖維復(fù)合材料制成的。它的主要優(yōu)點(diǎn)是延展性好，可塑性強(qiáng)，可制作出具有良好減震性能的網(wǎng)球拍，而且設(shè)計(jì)的種類趨向多樣化。碳纖維復(fù)合材料最早的應(yīng)用實(shí)例出現(xiàn)在美國(guó)，之后其他公司相繼效仿。首先，碳纖維復(fù)合材料可制造大型網(wǎng)球拍，此類網(wǎng)球拍是過(guò)去木制網(wǎng)球拍無(wú)法比擬的，同樣的重量其延展性卻大大不一樣，復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍的面積是木質(zhì)面積的1.5倍，同時(shí)其網(wǎng)線的張力也大大提高。質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、比模量高是碳纖維材料的主要特點(diǎn)，所以即便是大型網(wǎng)球拍采用碳纖維復(fù)合材料也能保證球拍的重量以及在拍打中不易變形。其次，減震吸能性能，碳纖維復(fù)合材料具有絕佳的減震吸能性。在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)，球拍與球兩個(gè)力的相互作用能夠引起震動(dòng)，而碳纖維復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍具有良好的減震效果，能夠使振動(dòng)的幅度降低，甚至不振動(dòng)的程度，運(yùn)動(dòng)員的手能夠感到振動(dòng)減小，更加舒服。最后，網(wǎng)球拍采用碳纖維復(fù)合材料制作可以增加設(shè)計(jì)自由度，這是由于復(fù)合材料的特性決定的。

5 國(guó)內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用情況

我國(guó)目前正在大力提高碳纖維復(fù)合材料的工藝，使其在體育器材市場(chǎng)進(jìn)一步推廣，為此做了不少的工作。早在20世紀(jì)60年代，上海的FRP撐桿就是用高模量玻璃纖維材料制成的，到20世紀(jì)80年代該材料的應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)一步推進(jìn)，成功生產(chǎn)出了高模量玻璃纖維羽毛球拍。到目前為止，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用在水上運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域，例如皮艇、劃艇、帆船等。我國(guó)的這些復(fù)合材料制成的體育器材不僅供給國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)員滿足其需求，而且已經(jīng)銷往世界各地，發(fā)展?fàn)顩r良好。例如由武漢工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)研制出的各類體育器材已經(jīng)銷往世界各個(gè)國(guó)家。與發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展程度相比，我國(guó)還稍微遜色一點(diǎn)。國(guó)外的復(fù)合材料與我國(guó)相比在技術(shù)領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且他們以此迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，進(jìn)一步推廣復(fù)合材料在體育器材中所占的比重，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出更多種類的產(chǎn)品，成績(jī)斐然，由此可以看出碳纖維復(fù)合材料具有較大的發(fā)展空間。

6 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?jié)摿Χ际蔷薮蟮?，且發(fā)展勢(shì)頭非常好。而且到目前為止，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)占領(lǐng)了很大部分的體育器材市場(chǎng)，形成了一定的認(rèn)知基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)體育器材的要求越來(lái)越高，碳纖維復(fù)合材料順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展潮流，必定會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。

[1]趙炳璞,高建和.體育運(yùn)動(dòng)對(duì)材料的依賴及面臨的問(wèn)題[J].中國(guó)體育科技,1997(9).

[2]杜希巖,李煒.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用[J].山東紡織科技,2007(1).

[3]胡依琴,柏勇,劉小湘.納米材料在體育領(lǐng)域的應(yīng)用[J].體育科技文獻(xiàn)通報(bào),2007(1).

[4]杜希巖,李煒.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料,2007(1).

The Application Value of Carbon Fiber Composite Materials in the Sports Equipment

TONG Bin
（PE Department of Heilongjiang Institute of Science and Technology,Harbin 150027, Heilongjiang, China)

Because of its good performance, carbon fiber composite materials has been widely used in various fields. This paper studies on the application value of carbon fiber composite materials in sports equipment, analyzes the features of fiber reinforced composite materials and the application in sports equipment of it, then carries on the in-depth analysis of material selection, product types, examples of application and so on.

carbon fiber composites; sports equipment; application

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“電熱碳纖維滑雪保溫鞋的研制”，項(xiàng)目編號(hào)：E201358。

佟彬（1977-），黑龍江哈爾濱人，本科，講師，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。