基于高新材料在體育器材中的應(yīng)用

孫晉媛

摘要：在科學(xué)技術(shù)日新月異的背景下，高新技術(shù)在體育各個(gè)項(xiàng)目中都獲得了廣泛的應(yīng)用，甚至成為體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目勝負(fù)的決定性因素。縱觀現(xiàn)代競(jìng)技體育，要想在競(jìng)技體育比賽項(xiàng)目中獲得優(yōu)異成績(jī)，運(yùn)動(dòng)員不僅需要依靠系統(tǒng)且科學(xué)的訓(xùn)練，還需要借助高新體育器材的幫助，因此在競(jìng)技體育發(fā)展中要高度重視高新材料的開(kāi)發(fā)、研制及利用。本文針對(duì)高新材料在體育器材中的應(yīng)用展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：高新材料;體育器材;應(yīng)用

中國(guó)分類號(hào)：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0082-03

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們生活水平有了顯著提升，對(duì)體育生活品質(zhì)愈加關(guān)注，而體育器材作為體育運(yùn)動(dòng)中的重要工具，也逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。不同材料的使用對(duì)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的高低具有直接影響，因而人們對(duì)體育器材提出了更高的要求。高新材料憑借自身的優(yōu)點(diǎn)，如易加工、延展性強(qiáng)、質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、強(qiáng)度高等，在很大程度上推動(dòng)了體育器材的發(fā)展，對(duì)體育器材材料的改進(jìn)與研制具有積極的意義。

1 材料在體育器材中的發(fā)展

對(duì)于現(xiàn)代體育競(jìng)技而言，其本質(zhì)上就是科技的競(jìng)爭(zhēng)，而高新材料的發(fā)展在體育科技水平的提高方面發(fā)揮著積極作用，通過(guò)高新材料的應(yīng)用，能有效改進(jìn)和優(yōu)化體育器材的性能。信息、能源、材料是現(xiàn)代文明的重要支柱，也是人類適應(yīng)、改造自然的重要物質(zhì)，材料科學(xué)的重大發(fā)展能提高人類支配自然的能力，推動(dòng)社會(huì)向前發(fā)展。材料是人們用于制作物件的主要物質(zhì)，其具有繁多的種類，當(dāng)前新材料的品種呈現(xiàn)出極高的增長(zhǎng)速率，很多人工化合物都能發(fā)展為高新材料。一般來(lái)說(shuō)，高新材料在體育器材領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)為間接和直接的應(yīng)用，其中前者是指與信息報(bào)道、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、指揮通信、裁判設(shè)備等相關(guān)的材料需求;后者是指運(yùn)動(dòng)員的比賽器材、運(yùn)動(dòng)帽、運(yùn)動(dòng)服裝、訓(xùn)練器材、運(yùn)動(dòng)鞋、運(yùn)動(dòng)裝備等。通常體育器材會(huì)隨體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展而發(fā)展，傳統(tǒng)體育器材基本來(lái)源于自然，如橡膠、金屬、木材、玻璃、皮革等，是以最初的體育設(shè)定為依據(jù)而予以使用制備，相對(duì)簡(jiǎn)單，易于推廣，能滿足人們的體育競(jìng)技要求。然而隨著現(xiàn)代競(jìng)技體育的發(fā)展，傳統(tǒng)體育器材所用的材料已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際運(yùn)動(dòng)要求，在特殊要求、可塑性、硬度、使用周期、耐磨性等方面有所欠缺，因此傳統(tǒng)材料需隨時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步而不斷更新發(fā)展，并會(huì)在未來(lái)以全新的形象重新隨體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展而發(fā)展。例如：乒乓球拍的材料由傳統(tǒng)的木材使用到合成橡膠的應(yīng)用，再到多層復(fù)合材料的運(yùn)用。

2 高新材料在體育器材中的應(yīng)用

2.1環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料

環(huán)氧樹(shù)脂主要是雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，由環(huán)氧氯丙烷和雙酚A縮聚而成，是指在一定試劑作用下，分子結(jié)構(gòu)中含有的2個(gè)或以上的環(huán)氧基因進(jìn)行交聯(lián)，在此基礎(chǔ)上形成類似三維網(wǎng)狀固化結(jié)構(gòu)的熱固性樹(shù)脂。對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)而言，其中含有環(huán)氧基、醚鍵、脂肪族羥基，這些物質(zhì)能與硅酸鹽、金屬等材料極性表面發(fā)生分子間作用力，如：醚鍵能增強(qiáng)樹(shù)脂分子鏈柔順性，更好地?cái)U(kuò)散于材料表面層;滑性氧材料的表面能與環(huán)氧基產(chǎn)生化學(xué)鍵。環(huán)氧樹(shù)脂具有極強(qiáng)的黏著性，將其用于跑道，能加快運(yùn)動(dòng)員的步頻和步幅，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員蹬地力量的提升，進(jìn)而提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂涂料的緩沖性、彈性、柔韌性、消音性較好，將其鋪設(shè)于室內(nèi)場(chǎng)地，不僅能減少比賽中的噪音感染，還能有效保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的身體，減緩地面對(duì)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)、腳踝等部位的沖擊。除此之外，將環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維、聚酰胺纖維用于滑雪板中，利用纖維纏繞工藝，能研制出彎曲強(qiáng)度高、抗沖擊力好、高強(qiáng)度的新型滑雪板。

2.2不飽和聚酯復(fù)合材料

聚酯纖維在20世紀(jì)40年代初已經(jīng)問(wèn)世，是英國(guó)的J.T.Dikeon和J.R.Whenfield通過(guò)合成聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯而制作形成聚酯纖維。不飽和聚酯樹(shù)脂指的是分子鏈上帶有不飽和鍵的聚酯高分子，即：通過(guò)二元醇和二元酸的酯化反應(yīng)來(lái)制作線型聚酯，然后將其放在適量的交聯(lián)單體中進(jìn)行溶解，通過(guò)交聯(lián)固化而形成不飽和聚酯（熱固性樹(shù)脂）。目前不飽和聚酯的澆筑產(chǎn)品在用體育運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用十分廣泛，如保齡球、道具、助跳板、雙杠、魚(yú)竿、賽艇、單杠、網(wǎng)球拍等。

2.3石墨烯復(fù)合材料

以往研究人員認(rèn)為石墨烯結(jié)構(gòu)只能是理論模型，因其表面的張力過(guò)大而無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年被物理學(xué)家證實(shí)其能單獨(dú)存在。石墨烯是當(dāng)前世界上已知的最強(qiáng)、最薄、柔韌性強(qiáng)、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性好的納米材料，其強(qiáng)度高于鋼強(qiáng)度的100倍，甚至比一個(gè)碳原子的厚度還要薄。添加一定量的石墨烯，能顯著提升石墨烯高分子納米復(fù)合材料的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能、韌性。例如：相較于齒輪用WC-Co復(fù)合材料，石墨烯復(fù)合鎂基材料通過(guò)添加10v01%石墨烯，其熱疲勞壽命能增加209%;相較于商用AZ31鎂合金材料，石墨烯復(fù)合鎂基材料在20℃的情況下能減少89%的磨損體積。石墨烯高分子納米復(fù)合材料憑借自身的優(yōu)點(diǎn)，在體育器材領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，具體包括：①撐桿項(xiàng)目：撐桿的發(fā)展歷經(jīng)了竹制、尼龍制、玻璃纖維制的變革，現(xiàn)今步入到碳材料時(shí)代，將石墨烯添加到碳材料中，能增強(qiáng)撐桿的韌性和硬度，減輕撐桿重量，使運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平達(dá)到更高的高度。②專業(yè)戶外運(yùn)動(dòng)服裝：石墨烯材料具有抗靜電功能、親膚透氣、防紫外線、抗菌抑菌性等特點(diǎn)，在專業(yè)戶外運(yùn)動(dòng)服裝中的應(yīng)用十分廣泛，如頂級(jí)汽車頭盔中添加了石墨烯，重量?jī)H達(dá)250g，發(fā)生意外時(shí)能有足夠強(qiáng)度確保頭部安全。③球拍材質(zhì)：石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用能促進(jìn)球拍性能及強(qiáng)度的提升，如TK9000在3點(diǎn)和9點(diǎn)位置添加了石墨烯，使拍框質(zhì)量有所提升，降低人力能量消耗，讓運(yùn)動(dòng)員在擊球過(guò)程中具有扎實(shí)的球感，增加進(jìn)攻性能。

2.4碳纖維復(fù)合材料

碳纖維作為一種特殊的纖維，碳是其主要構(gòu)成元素，并且含碳量會(huì)隨種類的不同而有所差異，基本超過(guò)90%。碳纖維不僅具備一般碳素材料的特性，如耐腐蝕、耐摩擦、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等，也具備自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如柔軟、強(qiáng)度高、比重小等，同時(shí)碳纖維外形的各向異性極其顯著，能加工成不同的織物?，F(xiàn)階段，碳纖維被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如：F1賽車和頂級(jí)跑車的車身結(jié)構(gòu)基本都是采用碳纖維，以此提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度氣動(dòng)性;比賽專用自行車的座位支架、曲軸、車構(gòu)架等材料為碳纖維復(fù)合材料，能保證車體具備良好的減震性能及剛性;高爾夫球桿使用碳纖維復(fù)合材料制成，具有高阻尼特性，能減輕10%～40%的自重;利用碳纖維復(fù)合材料制成第四代撐桿，確保撐桿的結(jié)實(shí)及柔韌，提高運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技成績(jī);將比模和比強(qiáng)大、重量輕的碳纖維復(fù)合材料用于大型網(wǎng)球拍，有利于增大網(wǎng)球的初始速度。

2.5尼龍纖維復(fù)合材料

為增強(qiáng)尼龍的耐熱性能，杜邦公司在1960年前后開(kāi)始研究芳香族聚酰胺，主要產(chǎn)品包括Kevlar纖維（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺）和Nomex纖維（聚間苯二甲酰間苯二胺），其中Kevlar纖維結(jié)構(gòu)中分子鏈呈現(xiàn)高密度分布的狀態(tài)，是由極性酰胺基與苯撐基交替組成，苯撐基比間位苯基直接影響著分子鏈的變剛性，而苯環(huán)能與酰胺基相組合形成共軛體系。值得注意的是，剛性苯環(huán)能讓聚合物的熱分解溫度與玻璃化溫度分別超過(guò)560℃與345℃，密度和模量分別是鋼鐵的1/5和3.5倍，斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)其他材料;同時(shí)剛性苯環(huán)能讓聚合物具有韌性大、阻燃、耐高溫、質(zhì)量輕、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。Nomex纖維結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)能阻止分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)，利用極性酰胺基形成氫鍵，使分子鏈間的作用力得以增大?？梢?jiàn)，聚合物分子鏈的剛性大，能讓聚合物具有耐潮濕、耐高能輻射、高剛度、高耐熱、難燃、耐化學(xué)腐蝕、高強(qiáng)度等性能特點(diǎn)。利用芳香尼龍來(lái)制作三維紡織織物復(fù)合材料，能提高材料的抗沖擊性和強(qiáng)度，在護(hù)腿板、防護(hù)服、護(hù)膝、防護(hù)手套等運(yùn)動(dòng)防護(hù)工具中有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)利用芳香尼龍制作的繩索具有耐潮濕、耐磨、尺寸穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高等特性，被用于降落傘、滑水繩、攀登繩索、滑翔傘繩等。另外，高抗沖尼龍一超韌尼龍Zytel ST是一種均勻分布于PA66A機(jī)體內(nèi)的直徑為0.1-1.0um的彈性體，沖擊強(qiáng)度可達(dá)900～1020J/m，具有尼龍本身的耐磨性、撓曲性和耐化學(xué)性等，在運(yùn)動(dòng)防護(hù)工具中的應(yīng)用較廣，能保證防護(hù)工具的防震性能、透氣性能和舒適性能。例如：美國(guó)退出的“大力士”泳衣，其是利用聚氨酯纖維和超細(xì)尼龍纖維制作而成，泳衣的重量?jī)H為150-200g，伸縮性和平滑度好，與水的阻力明顯小于以往傳統(tǒng)泳衣。

2.6生物工程塑料

作為一種新型的合成材料，生物工程塑料具有性價(jià)比高、氧氣透過(guò)率高、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛用于各種運(yùn)動(dòng)器械產(chǎn)品和體育設(shè)施，主要體現(xiàn)為：①運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地方面。作為生物工程塑料的代表之一，硅橡膠的耐高溫性能優(yōu)良，能長(zhǎng)期在180℃的高溫下工作，甚至在200℃時(shí)也能工作一段時(shí)間，瞬時(shí)可耐300℃的高溫，加上硅橡膠的強(qiáng)韌性和彈性相對(duì)出色，在各種場(chǎng)地中都有應(yīng)用。②穿戴器材方面。生物工程塑料在運(yùn)動(dòng)服裝、頭盔、鞋襪、護(hù)具等穿戴器材中的應(yīng)用，能提高器材的韌度和強(qiáng)度，使其具備良好的透氣性，如長(zhǎng)纖維改性符合材料利用特殊的拉擠工藝，能讓穿戴者感到舒適安全，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員專業(yè)競(jìng)技水平的提高。又如納米運(yùn)動(dòng)衣的研制，將防霉變、防臭、抗菌等纖維用于水上項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)服部，如腰部、臂部、腋下等，有著極其重要的作用，尤其是夏天防霉、抗菌，冬天保暖、透氣、防水和耐洗滌的紅外皮運(yùn)動(dòng)褲，能很好地抑制水上運(yùn)動(dòng)員的“難言之隱”，減少濕疹病例及病毒性疾病。③戶外運(yùn)動(dòng)器材方面。生物工程塑料的抗老化能力比一般材料要強(qiáng)，如將氨基化碳納米管加入到碳纖維一環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料中，能增強(qiáng)材料的耐高溫性、耐熱氧化性、耐鹽霧性。這種材料用于徒步鞋、戶外登山鞋或其他戶外設(shè)施中，不僅能延長(zhǎng)戶外設(shè)施的使用壽命，還能提高設(shè)施的抗老化、抗氧化能力。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，高新材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)愈加廣泛，尤其是體育器材領(lǐng)域，也會(huì)被更多人所接受和認(rèn)可，價(jià)格也越來(lái)越低。所以國(guó)家在發(fā)展現(xiàn)代競(jìng)技體育的過(guò)程中，必須要對(duì)高新材料的研制和利用加以高度重視，以滿足人們對(duì)體育器材的智能化、個(gè)性化發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)體育事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。