體育器材生產(chǎn)中碳材料的應(yīng)用方法

李洲鵬

摘要：碳材料所具有的優(yōu)異性能決定了其在多個行業(yè)中都具有廣闊的應(yīng)用空間，在碳纖維及其復(fù)合材料研發(fā)水平不斷提升的情形下，其應(yīng)用成本也在不斷降低，逐漸帶動相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用水平不斷提高。文章從碳材料在體育器材生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢出發(fā)，對相關(guān)的應(yīng)用方法進(jìn)行說明，對碳材料在未來體育器材生產(chǎn)領(lǐng)域的前景進(jìn)行展望，以期對行業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：碳材料;碳纖維;體育器材

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0071-03

碳材料在不同生產(chǎn)工藝的作用下，能夠充分將自身的局部優(yōu)勢得以發(fā)揮，在競技體育和大眾體育不斷發(fā)展的推動作用下，對于體育器材生產(chǎn)的要求也不斷提高。碳纖維及其復(fù)合材料在體育器材中的廣泛應(yīng)用，不僅能夠極大提升人們?nèi)粘ｓw育鍛煉的水平，還能夠更加豐富人們的日常生活，為社會的精神文明建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

1碳材料在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1橫向應(yīng)用范圍廣

人類社會應(yīng)用碳材料的歷史較為悠久，對于人類社會發(fā)展和生產(chǎn)生活水平的提高起到了極大的促進(jìn)作用。碳纖維及其復(fù)合材料可以通過對應(yīng)的技術(shù)手段處理，將其電子軌道改變成為生產(chǎn)需要的各種組合形式，從而具備所需要的物理和化學(xué)性能。這些不同的性能不僅能夠滿足實際生產(chǎn)生活的需要，還能夠使其在替代其他產(chǎn)品時較之原本的材料具有更加優(yōu)異的性能。正是基于這點特性出發(fā)，使得碳材料從原本在航空、航天、電子等高端產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用逐漸覆蓋包括化工、機械、汽車、醫(yī)學(xué)和體育器材等各種不同的民用領(lǐng)域。這從一定層次上而言，可以說明碳材料具有廣泛的應(yīng)用范圍。

1.2縱向應(yīng)用周期長

目前在碳材料的應(yīng)用中，主要有金剛石、線型碳、碳纖維、活性碳纖維、玻璃碳、金剛石薄膜、石墨層間化合物、氣相生長碳纖維、中間相瀝青基碳纖維、碳化硅晶體和碳復(fù)合材料等。這些不同類型的碳材料具有不同應(yīng)用范圍，其性能之間也具有較大的差異。例如金剛石而言，其具有高熱傳導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)和高硬度等特征，因而在高精度生產(chǎn)和電子行業(yè)具有較高的應(yīng)用程度。碳纖維材料與金屬材料相比具有高強度、高模量、低密度和線膨脹系數(shù)小等鮮明特征，因此在包括運動器材在內(nèi)的民用領(lǐng)域內(nèi)具有高度的應(yīng)用。對于這些材料而言，無論是應(yīng)用何種對應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)，都能夠極大的發(fā)揮出其自身所具有的特性，使得材料和產(chǎn)品性能得以極大的提升，從而使產(chǎn)品在其所擅長的特性上得到更加突出的發(fā)揮，也使得產(chǎn)品的應(yīng)用周期更長。尤其是對于體育器材而言，在專業(yè)運動員的使用過程中消耗程度較之正常的使用水平有著幾何式的增長。將對應(yīng)的碳材料應(yīng)用于體育器材的生產(chǎn)中，不僅能夠提升競技水平的成績，還能夠改善體育器材的使用性能，提升運動員的運動年限。

1.3應(yīng)用前景廣闊

目前對于碳材料的研究已經(jīng)進(jìn)入了相當(dāng)深入的階段，并且其研究體系還在不斷發(fā)展和豐富之中。按照學(xué)界目前統(tǒng)一的看法，碳材料已經(jīng)發(fā)展到第4代產(chǎn)品，但是其應(yīng)用范圍還僅局限在實驗室和高端產(chǎn)品的生產(chǎn)中，隨著相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)水平不斷提高，碳材料性能也會得到更大的程度的擴展，因而會在更加廣闊的市場空間中得以應(yīng)用，為人類的生產(chǎn)生活帶來更大的便利。

2碳材料在體育器材生產(chǎn)中的應(yīng)用

在碳材料研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)不斷提高的背景下，第3代碳材料已經(jīng)有10多種類型應(yīng)用于民用生產(chǎn)之中，第4代碳材料也開始應(yīng)用于各類場景之中。由于體育運動形式的多樣化，基于體育器械的分類和實例來說明碳材料的應(yīng)用方式已經(jīng)無法滿足研究的需要，本文基于碳材料自身的分類出發(fā)，對其應(yīng)用范圍和應(yīng)用方法進(jìn)行簡單的說明。

2.1碳纖維復(fù)合材料

就一定意義上而言，碳纖維復(fù)合材料并不是單一種類的碳材料，而是將碳纖維與樹脂和金屬類材料通過工藝處理之后形成的新型材料，在工藝處理的過程中，其就可以根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行一次成型設(shè)計。碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢是多方面的，首先是其在同等質(zhì)量的情況下，強度可以達(dá)到鋼鐵強度的5倍;其次碳纖維材料的耐熱和耐磨性能也比較高，并且還能夠承受極大的力學(xué)強度。正是由于這些突出的性能，使得碳纖維材料可以應(yīng)用于多種獨立的體育器械或者大型體育器械的組成部分。就實際應(yīng)用范圍來說，碳纖維材料可以應(yīng)用在各類球類的球拍、高爾夫球桿、專業(yè)運動自行車、各種類型的船槳、跳高運動的輔助器材、賽艇和帆船的船身結(jié)構(gòu)等。采用碳纖維復(fù)合材料能夠根據(jù)運動形式的不同和運動員個人發(fā)揮特征的需要進(jìn)行獨立設(shè)計，合理規(guī)避傳統(tǒng)材料的限制，在設(shè)計自由度提升的同時促進(jìn)運動員能力的充分發(fā)揮。

2.2石墨烯及其復(fù)合材料

石墨烯在碳材料的分類中屬于第4代應(yīng)用中的一類，在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用較為成熟的復(fù)合材料類型包括石墨烯橡膠和石墨烯纖維2種，此外還有其他類型的石墨烯技術(shù)正在處于不斷成熟之中。石墨烯橡膠材料在整體上具有較為復(fù)雜的特性，包括高電導(dǎo)率、機械陸能好、高熱穩(wěn)定性、較好的摩擦性能和更低的疲勞生熱性能等。由于其合成技術(shù)的不同又被分為多種不同的類型，這些不同類型的產(chǎn)品通常具有以上特性中的2-3種，從而能夠滿足不同體育運動器材的生產(chǎn)需要。石墨烯纖維材料的優(yōu)勢則是主要集中在拉伸強度、斷裂強度和抗壓強度等各個方面，此外部分材料在壓縮模量上也具有一定的優(yōu)勢。根據(jù)石墨烯及其復(fù)合材料的特性，目前投入應(yīng)用的體育器械主要集中在籃球鞋、自行車輪胎、球拍制造和戶外運動服裝等方面。但是石墨烯及其復(fù)合材料的應(yīng)用受制于其成型技術(shù)和生產(chǎn)成本的影響，目前在競技體育器材的生產(chǎn)中還受到較大的限制，而在大眾體育的體育器材生產(chǎn)中，幾乎還是一片空間，未來具有更為廣闊的市場空間。

2.3納米碳材料

納米碳材料是將碳材料與納米技術(shù)結(jié)合在一起的科技方式，它指的是分散相尺度至少有一維小于100mm的碳材料。現(xiàn)在的學(xué)術(shù)界將納米碳材料分為碳納米管、碳納米纖維和納米碳球3種類型，在實際應(yīng)用過程中碳納米管類型的應(yīng)用最為廣泛。納米碳材料的應(yīng)用目前在棒球、曲棍球、網(wǎng)球、自行車和水上運動中已經(jīng)得到了不同程度的應(yīng)用，通過這些材料和生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，能夠使體育器械的重量極大的降低，具有更好的彈性，并且極大的提升運動員的舒適感，確保運動員更加穩(wěn)定的發(fā)揮，以此提升運動員的體育成績。但是納米碳材料在實際應(yīng)用過程中也同時顯示出了較強的副作用：①納米碳材料的結(jié)構(gòu)使其在運動員使用過程中可能會通過皮膚進(jìn)入身體器官內(nèi)，從而對運動員的生理健康造成未知的危害。②在碳納米材料技術(shù)研究差距較大的情況下，具有極大輔助性能的運動器械和裝備會造成競技體育活動外在的不公平，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部不公平現(xiàn)象的存在。但是就整體上來說，競技體育水平的提升和納米碳材料的研究水平是互相促進(jìn)的關(guān)系，在未來的體育事業(yè)發(fā)展過程中，其應(yīng)用空間必將會更加廣闊。

3碳材料在體育器材生產(chǎn)中的成型技術(shù)

由于碳材料形成工藝和應(yīng)用場景的不同，在應(yīng)用于體育器材的生產(chǎn)中時需要采取對應(yīng)的成型技術(shù)，以確保其性能得到良好的發(fā)揮。一股情形下，碳材料在體育器材生產(chǎn)中的成型技術(shù)主要包括以下4種：拉擠成型技術(shù)、模壓成型技術(shù)、纏繞成型技術(shù)和樹脂傳遞模塑成型技術(shù)。在生產(chǎn)棒狀、管狀和較長尺寸的體育器材時，通常采用拉擠成型技術(shù)，例如弓箭、撐桿等器材的生產(chǎn)，同時還能夠通過不同工藝對其力學(xué)陸能進(jìn)行調(diào)控。模壓成型技術(shù)在實際生產(chǎn)過程中具有較高的生產(chǎn)效率，可以達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)的要求，所以更多的被應(yīng)用于大眾類型的體育器材生產(chǎn)中碳材料的應(yīng)用環(huán)節(jié)。纏繞技術(shù)的應(yīng)用是通過專用機械設(shè)備的作用將浸潤后的碳纖維材料固定在相應(yīng)的模具上，這種方式大多是應(yīng)用于具有曲面結(jié)構(gòu)的體育器材中，并且具有生產(chǎn)效率高、綜合成本低的特征。樹脂傳遞塑模成型技術(shù)在一些流線型體育器材的生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，具有成型便利，成型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特征，尤其是在自行車和船體結(jié)構(gòu)的制造中，應(yīng)用范圍較為廣闊。整體上而言，碳材料在體育器材生產(chǎn)中的成型技術(shù)是基于其自身特性與體育器材性能要求而產(chǎn)生的，在未來的生產(chǎn)應(yīng)有過程中，還將會出現(xiàn)多種不同的成型技術(shù)，以促進(jìn)碳材料的應(yīng)用范圍更加廣泛，性能也將更加優(yōu)異。

4碳材料在體育器材生產(chǎn)中的前景

碳材料的應(yīng)用雖然已經(jīng)有了較為悠久的歷史，但是目前人類對其認(rèn)識水平從發(fā)展階段上來說還處于初級階段，隨著研究水平的提高，在未來還將具有更加廣闊上升空間，因此在體育器材生產(chǎn)中具有廣闊的前景。就競技體育來說，目前碳纖維材料在賽事類體育器和檢測類器材中都得到了廣泛的應(yīng)用。這不僅對運動員賽事水平的發(fā)揮起到了極大的促進(jìn)作用，而且能夠通過對應(yīng)的技術(shù)手段實時監(jiān)測到運動員的生理生化指標(biāo)，為運動員的訓(xùn)練計劃提供更加科學(xué)的參考依據(jù)。而在大眾體育方面，隨著碳材料的生產(chǎn)成本不斷降低，其將會由目前的高端材料逐漸轉(zhuǎn)型成為普通材料，從而更加廣泛的應(yīng)用于普通的體育器材生產(chǎn)中。尤其是在穿戴類器材的發(fā)展中，由于碳材料獨特的性能，可以在大眾群體在進(jìn)行體育鍛煉時起到更好的保護作用，提升普通民眾參與大眾鍛煉的積極性，為全面健身活動的開展和人們精神生活的豐富提供更加有利的支持。但是就目前的發(fā)展水平而言，我國的碳材料研究水平距離日本和美國之間還有較大的差距，尤其是在高端碳材料的研究上，還存在較大的差距，這是相關(guān)從業(yè)者在未來研究中的努力方向。

5結(jié)語

碳材料的應(yīng)用本身具有廣闊的發(fā)展空間，隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，在國家相關(guān)部門的大力推動下，在市場因素的指引作用下，我國已經(jīng)出現(xiàn)了生產(chǎn)水平較高的專門從事碳材料體育器材生產(chǎn)的企業(yè)。在未來的發(fā)展過程中，碳材料的研發(fā)水平必將不斷提高，其生產(chǎn)成本也將不斷降低，從而能夠應(yīng)用于更多的體育器材的生產(chǎn)中，為我國體育事業(yè)的發(fā)展起到重要的推動作用。