碳纖維材料在體育器械領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值分析

周博

摘要：得益于自身良好的剛性、耐腐蝕性，碳纖維符合材料自發(fā)明以來已被廣泛應(yīng)用社會(huì)生活、生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如航空航天、交通器械、體育器材、醫(yī)療器材等。由于碳纖維材料具有質(zhì)量輕、剛性強(qiáng)的特點(diǎn)，用其加工而成的各種體育器材、產(chǎn)品在該領(lǐng)域得到了非常廣泛的好評(píng)。研究以碳纖維材料的優(yōu)勢(shì)和特性綜合分析為基礎(chǔ)，對(duì)其應(yīng)用于體育器材上的各種產(chǎn)品應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了綜述，并結(jié)合案例論述了碳纖維材料在高爾夫球桿、滑雪板、網(wǎng)球拍等器械上的應(yīng)用進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：碳纖維材料;體育器械;應(yīng)用價(jià)值

中圖分類號(hào)：TQ127.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）12-0045-04

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的實(shí)現(xiàn)和我國國民生活水平的不斷提高，我國國民對(duì)于體育健身的需求逐漸向西方發(fā)達(dá)國家靠攏。高爾夫、網(wǎng)球等運(yùn)動(dòng)逐漸因?yàn)槠漭p松、健康的運(yùn)動(dòng)形式受到越來越多的中國百姓喜愛。群眾對(duì)體育的關(guān)注和認(rèn)可極大地促進(jìn)了我國體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，同時(shí)人們對(duì)高質(zhì)量體育器材的追求也對(duì)我國體育器材生產(chǎn)、加工提出了更高的要求。

碳纖維材料由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕且較易加工的特性，在應(yīng)用到體育器材領(lǐng)域后迅速擴(kuò)大規(guī)模，逐漸成為體育愛好者及專業(yè)運(yùn)動(dòng)員青睞的體育器材使用材料。尤其在高端器械領(lǐng)域，碳纖維幾乎是高端體育產(chǎn)品的必須材料。因此，針對(duì)碳纖維材料的特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其在體育器械中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)并積極開發(fā)某些領(lǐng)域的創(chuàng)新性產(chǎn)品，是當(dāng)下我國體育器械領(lǐng)域必須研究的方向之一。

1 碳纖維材料在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)是“更快、更高、更強(qiáng)”，因此在體育設(shè)施以及健身器械方面有了更高的要求，需要適應(yīng)現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展理念和步伐。在體育和健身運(yùn)動(dòng)中，體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械的質(zhì)量至關(guān)重要，甚至可以直接影響運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中的運(yùn)動(dòng)水平和發(fā)揮，而制作器械的材料可以決定體育器械和、健身器械的優(yōu)劣，也是影響前者發(fā)揮的最重要因素之一。當(dāng)前，我國體育器械和健身器械選用材料的情況有了更多的發(fā)展和優(yōu)化，具體如下：多種新型材料混雜使用，并且塑料和先進(jìn)復(fù)合材料等到更多范圍的應(yīng)用。本文此部分將重點(diǎn)介紹塑料及復(fù)合材料在體育器械和健身器械等活動(dòng)方面的選材和應(yīng)用原則。

1.1質(zhì)量輕便

體育器材的應(yīng)用訴求不同，對(duì)材質(zhì)和重量的要求也相差很大。就重量來說，并不是說越輕便越好，因?yàn)橐恍┰黾∑餍祵?duì)重量是有嚴(yán)格要求的，除去對(duì)重量有要求的體育器材，像羽毛球、網(wǎng)球等球桿類運(yùn)動(dòng)和自行車、帆船、賽車等需要借助動(dòng)力的體育器材，為方便使用并節(jié)省動(dòng)力，材質(zhì)當(dāng)然是越輕便越好，因此碳纖維材料在這一領(lǐng)域可大有發(fā)展。對(duì)于運(yùn)動(dòng)來說，所使用的的器械一般來說都是靠人力來推動(dòng)或使用，所以要求器械質(zhì)量越輕越好，比如運(yùn)動(dòng)鞋（包括跑鞋）、自行車、皮劃艇、槳、運(yùn)動(dòng)衣（包括游泳衣）、賽艇、滑雪板、撐桿、冰鞋等一系列體育用具;還有一些靠機(jī)械力供人們健身運(yùn)動(dòng)的器械，在額定功率設(shè)定好的情況下，如果材質(zhì)輕盈也是可以達(dá)到最佳健身或使用效果，例如電碰車、馬鞍、賽車、電動(dòng)游樂船等設(shè)施。對(duì)于大多數(shù)體育設(shè)施來說，質(zhì)地輕盈可以實(shí)現(xiàn)便捷攜帶收納、快速安裝、拆卸，甚至維修起來也更加方便;并且由于材料質(zhì)地輕盈，可以實(shí)現(xiàn)更好的阻尼減振性，因此像操場(chǎng)的跑道以及體育場(chǎng)館地板都會(huì)選用該類材料來鋪設(shè)。質(zhì)地輕盈是塑料及復(fù)合材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)，然而不同塑料及復(fù)合材料的性能、密度也互有差別，常規(guī)來看，復(fù)合材料的密度稍大于塑料。

1.2力學(xué)性能良好

碳纖維材料具有強(qiáng)度高、彈性好、韌性好的特點(diǎn)，這是傳統(tǒng)木料和金屬所不具備的，但卻是體育器材在使用過程中所必需的，這一應(yīng)用優(yōu)勢(shì)再次證明，碳纖維材料是體育器材的絕佳選擇。其良好的力學(xué)性能的集中體現(xiàn)是可塑性極高，因此不用擔(dān)心損壞了需要花費(fèi)高昂的維修費(fèi)用，碳纖維材料在體育器材中的應(yīng)用，可以說從根本上解決了體育器材可塑性差的問題。

1.3安全性和衛(wèi)生性優(yōu)良

以上碳纖維材料在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)綜合體現(xiàn)出，碳纖維材料是可回收再利用的新型環(huán)保材料，安全性和衛(wèi)生性優(yōu)良，因而可大大節(jié)約體育器材的生產(chǎn)成本，這些優(yōu)良特點(diǎn)成為碳纖維材料可在體育器材領(lǐng)域大有作為的優(yōu)勢(shì)。

1.4成型加工性好

在眾多的體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械性能中，良好的成型加工性也是塑料及復(fù)合材料制作體育器械和健身器械的基本條件之一。熱塑性塑料及其合金可以通過吹塑、注塑、擠出、熱成型等方法進(jìn)行加工得到體育器械成品，相對(duì)來說比較容易。還有一些其他先進(jìn)復(fù)合材料（不管是熱塑性樹脂基復(fù)合材料還是熱固性樹脂基復(fù)合材料）在成型性方面顯示出困難較大。盡管如此，隨著在體育健身器械材料領(lǐng)域的不斷研究和成型技術(shù)持續(xù)發(fā)展，可以開發(fā)出具有良好加工性能的方法，進(jìn)而得到各式各樣的健身體育器械成型制品。在當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料的成型技術(shù)中，主要有真空袋成型、熱壓罐成型、壓制成型、壓力袋成型、纏繞成型、軟模成型、拉拔成型以及樹脂傳遞模塑成型（RIM）等多種加工工藝。此外，在一些一般復(fù)合材料中也可以采用常見的手糊成型、片狀模塑（MS）C成型、噴射成型和層壓成型等制作方法，例如在制作游樂船和艇時(shí)，就采用的手糊成型技術(shù)來制作。

1.5耐老化性好

在體育運(yùn)動(dòng)和健身活動(dòng)時(shí)，大多數(shù)體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械需要在戶外進(jìn)行使用，易受到太陽光等紫外線的照射，另外還有大氣中所含的氧、臭氧和某些酸性氣體的相互作用以及雨水的浸蝕等，晝夜溫差的變化以及其他原因（如季節(jié)、地理位置）導(dǎo)致的高低溫的交替，容易使耐候性較差的材料產(chǎn)生老或者表面龜裂及顏色改變等現(xiàn)象。因此要求器械所用的塑料及復(fù)合材料需要具備有良好的耐老化性。在一些露天體育場(chǎng)館和設(shè)施中此類要求更加明顯，如跑道、滑雪場(chǎng)的圍欄、場(chǎng)館地板等，否則嚴(yán)重影響使用壽命。

2 碳纖維材料常用選材

制成碳纖維材料的常用選材是無機(jī)纖維與高強(qiáng)高模合成纖維，有時(shí)也選用兩種或兩種以上的混合纖維，增強(qiáng)效果會(huì)比單獨(dú)一種纖維要好。以下為有關(guān)碳纖維材料常用選材的詳細(xì)論述。

2.1無機(jī)纖維

常見的無機(jī)纖維有四種類型，分別是玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維和硼纖維。

玻璃纖維是最早開發(fā)運(yùn)用的復(fù)合纖維材料，因而目前的利用率也是最高的，其剛度大、耐沖擊、延展性好的優(yōu)良特點(diǎn)也是目前被廣泛使用的一大原因。第二類的碳纖維在生活中常見，因?yàn)樗谋葟?qiáng)度和比模量都很高，而且耐熱，剛性和強(qiáng)度都不錯(cuò)，它的優(yōu)點(diǎn)多，但同時(shí)缺點(diǎn)也很明顯，例如潤濕度低、黏附力差等，但并不是沒有解決辦法，我們可以在使用碳纖維之前對(duì)其進(jìn)行表面的活化處理。第三類的碳化硅纖維是在碳纖維基礎(chǔ)上的優(yōu)化，因而耐磨、抗壓、延展性好、比模量高、耐熱性強(qiáng)，并且可與金屬和塑料等其他材料符合。第四類的硼纖維屬于高強(qiáng)高模合成纖維的一種，以增強(qiáng)樹脂和金屬制成，性能極佳，應(yīng)用前景廣泛。

2.2高強(qiáng)高模合成纖維

高強(qiáng)高模合成纖維主要有4種類型：芳香族聚酰胺纖維、混雜纖維和超高模量聚乙烯纖維。

芳香族聚酰胺纖維的粘結(jié)性能良好，密度低、耐高溫、強(qiáng)度大、比模量較高，與樹脂融合后是制成特殊絲紗織物的重要纖維，因而可用于制作體育器材中有較高的拉伸強(qiáng)度要求和彈性模量的器械。第二類的混雜纖維指由兩種短纖維或兩種長絲或粗纖維組成的包芯與樹脂基體的合成材料，因合成材料多樣，混雜纖維的體現(xiàn)并不唯一，所以可滿足不同種類的生產(chǎn)與應(yīng)用需求。第三類的超高模量聚乙烯纖維優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)都很明顯，它的優(yōu)點(diǎn)如高強(qiáng)度、低密度、適應(yīng)性好、穩(wěn)定性高等，缺點(diǎn)如黏著性較差等，因而在使用前必須以特殊方法對(duì)其表面進(jìn)行處理。

2.3織物結(jié)構(gòu)

織物結(jié)構(gòu)是一種材料，并且是碳纖維材料中的優(yōu)異材料。一般的纖維材料很容易出現(xiàn)纏繞或剪切效應(yīng)，但織物結(jié)構(gòu)不會(huì)，這是它成為優(yōu)異碳纖維材料的最重要原因。此外，織物結(jié)構(gòu)的優(yōu)異還體現(xiàn)在可滿足體育器材制作的不同形狀及結(jié)構(gòu)的多重需求，因?yàn)槔每椢锝Y(jié)構(gòu)形成的良好預(yù)成型件，可制作出不同形狀特點(diǎn)的產(chǎn)品，與基體樹脂進(jìn)行組合再造也更加便捷。

2.4基體樹脂

基體樹脂有三種類型，分別是不飽和樹脂、熱塑性樹脂和環(huán)氧樹脂，其中應(yīng)用比較廣泛的是不飽和樹脂，而發(fā)展最快的是新型的環(huán)氧樹脂。

不飽和樹脂質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、方便取材，這是它被廣泛應(yīng)用的一大原因，此外，不飽和樹脂的堅(jiān)韌性極佳，接觸鹽和酸等腐蝕性物質(zhì)也可保持相對(duì)穩(wěn)定，且固化后透明度可人為操控，透明或不透明均可，上色容易，固化后的固體是可燃的，可與其他材料復(fù)合，缺點(diǎn)是耐光性和耐熱性較差，因?yàn)樵谑褂脮r(shí)要注意。

熱塑性樹脂是新材料，在體育器材領(lǐng)域剛剛嶄露頭角，具體體現(xiàn)為尼龍、聚碳酸等熱塑性樹脂。

發(fā)展最快的新型環(huán)氧樹脂具有極強(qiáng)的黏結(jié)力，但是用固化環(huán)氧樹脂制成的體育器材脆度較高，易折易斷?？朔@一缺點(diǎn)的具體辦法是可添加增韌劑，以調(diào)和脆度、增加韌性、改善性能。

3 碳纖維材料在體育器材中的具體應(yīng)用

3.1高爾夫球桿

作為一種“貴族運(yùn)動(dòng)”，打高爾夫球?qū)ζ鞑牡囊笫呛芨叩?，尤其是?duì)球桿，因?yàn)樗苯佑绊懬虻某跛俣?，這是高爾夫球運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。初代球桿的主要用材是柿木，但是這一材料密度高、質(zhì)量大，不利用揮桿使用，因而促使著人們?nèi)で笮虏牧细纳聘郀柗蚯驐U。接下來出現(xiàn)了黑桿，它是以纏繞法制成的碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料器材，梆頭更輕，因而能很好地控制高爾夫球的初速度，并且，黑桿的可塑性更高，未來還有更多的設(shè)計(jì)可能和可發(fā)揮空間。

隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和對(duì)復(fù)合材料的繼續(xù)研究，相關(guān)研究人員對(duì)高爾夫球桿的改善還將持續(xù)不斷的發(fā)展，未來的高爾夫球桿在尺寸和重量等基礎(chǔ)性能上會(huì)更加優(yōu)異，或許會(huì)出現(xiàn)高強(qiáng)度、彈性極佳、壽命更長的高檔高爾夫球桿，高爾夫發(fā)燒友的球技也能更完美地呈現(xiàn)。綜上，碳纖維復(fù)合材料在高爾夫球桿的設(shè)計(jì)制作中擁有廣闊前景。

3.2滑雪板

隨著冬季奧運(yùn)會(huì)在中國的首次舉辦，滑雪運(yùn)動(dòng)在我國也受到了越來越多人的關(guān)注，而滑雪最必不可少的就是滑雪板了，無論是職業(yè)選手還是普通玩家，一個(gè)好的滑雪板不僅能帶來最好的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)，還能最大限度地保證安全。而怎樣才算是好的滑雪板呢？質(zhì)輕，減震性能良好，使用壽命長。由此可見，碳纖維復(fù)合材料是制作滑雪板的最佳選擇，其中又以玻璃纖維為最優(yōu)，它沒有普通木制、金屬制或塑料滑雪板易變性、易損的缺點(diǎn)，而且韌性更強(qiáng)，使用壽命更長。

3.3網(wǎng)球拍

市場(chǎng)上的網(wǎng)球拍良莠不齊，高中低檔都有，價(jià)位不等，懸殊較大，但中高檔網(wǎng)球拍基本上都是碳纖維復(fù)合材料制成的，因?yàn)榭蓾M足網(wǎng)球拍對(duì)延展性和減震性的要求，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料可塑性好的特點(diǎn)，網(wǎng)球拍的外觀設(shè)計(jì)也有了更多選擇。此外，碳纖維材料在制作大型網(wǎng)球拍方面具有先天優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)球拍相比，同樣的重量，碳纖維材料制成的網(wǎng)球拍比傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)球拍大一倍多，因延展性好，碳纖維型網(wǎng)球拍的網(wǎng)線張力也更好了，而且質(zhì)量輕盈、比模量高，符合網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)對(duì)器具的要求，便于運(yùn)動(dòng)員使用和發(fā)揮。

3.4水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施設(shè)備

水上運(yùn)動(dòng)器材比如：帆船、賽艇以及水上摩托等都是最常用到塑料及復(fù)合材料作為原料制造的體育設(shè)施設(shè)備，其中單獨(dú)就賽艇來說，芳綸纖維可以用于制作艇身帆布的原材料，玻璃纖維增強(qiáng)塑料可以作為制作艇身骨架的原材料，泡沫夾層板則是制作槳或槳桿的最佳材料。對(duì)于皮艇劃艇的選料，不飽和聚酯樹脂復(fù)合物和碳纖維增強(qiáng)塑料都可以作為艇身骨架材料，而槳或槳桿材料可以用環(huán)氧樹脂復(fù)合物和碳纖維增強(qiáng)塑料來制作。除此之外，沖浪板、滑水板等外層的制作可以用纖維增強(qiáng)塑料和聚氨酯泡沫復(fù)合材料，在內(nèi)層的制作上就可以采用乙烯基酯樹脂和聚氯乙烯復(fù)合材料，效果達(dá)到最佳。

3.5其他運(yùn)動(dòng)健身設(shè)施和器械

在運(yùn)動(dòng)設(shè)施或健身器械中塑料材質(zhì)制品多種多樣，最常見的種類包括體育跑道及地板、自行車、運(yùn)動(dòng)衣及游泳衣、游泳池等，其中有一些器材可以用纖維增強(qiáng)塑料的諸多優(yōu)勢(shì)性能去代替金屬材料，比如自行車車架、車輪等部件，工藝上把卷裝碳纖維增強(qiáng)塑料經(jīng)過熱壓成型制作整體車架，車架內(nèi)芯用泡沫塑料進(jìn)行填充;另外，還可以將熱塑性塑料通過整體注塑而成型，輕便型或兒童型自行車可以采用此制作工藝。游泳池一般可以采用不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料和無捻玻璃布來作為原材料，通過手糊法和層壓方式制作而成。室外操場(chǎng)、室內(nèi)體育館的塑膠跑道或塑膠地板已逐漸代替掉傳統(tǒng)的水泥或沙土材質(zhì)，塑膠跑道的多層結(jié)構(gòu)可以更好的輔助人們進(jìn)行鍛煉運(yùn)動(dòng)。