現(xiàn)代體育器械的重要材料

楊磊

摘要：“更快、更高、更強(qiáng)”是奧林匹克的格言，也是現(xiàn)代體育事業(yè)的發(fā)展方向，體育事業(yè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展對體育器械也提出了更高層面的要求。體育器械的好壞直接影響體育的競技水平，而體育器械所用的材料直接關(guān)系到器材的使用效果，基于此，本文就以炭纖維復(fù)合材料為研究對象，探討炭纖維復(fù)合材料在現(xiàn)代體育器械上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：炭纖維;復(fù)合材料;體育器械

中國分類號：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0085-04

炭纖維復(fù)合材料產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代初，發(fā)展至今已廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。炭纖維復(fù)合材料應(yīng)用于體育器械，有著不可小覷的應(yīng)用價值，不僅實現(xiàn)了體育器械的換代更新，而且在很大程度上促進(jìn)了體育項目的完善與發(fā)展，有力推動體育事業(yè)的不斷前進(jìn)。

1 炭纖維復(fù)合材料概念

炭纖維復(fù)合材料是由有機(jī)纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成，炭含量高于90%的無機(jī)高性能纖維，這種新材料在力學(xué)上具有著優(yōu)異的性能，不僅有著炭材料的固有性能，而且兼具紡織纖維柔軟和可加工的特性，是一種新型的增強(qiáng)纖維。

2 炭纖維復(fù)合材料運(yùn)用在體育器械上的優(yōu)勢

以往的體育器械主要以金屬、木質(zhì)材料為主，而炭纖維復(fù)合材料在體育器械上的應(yīng)用有著傳統(tǒng)器械不可匹及的優(yōu)勢。

2.1質(zhì)量輕盈

將炭纖維密度與金屬密度進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)炭纖維密度是1.76-1.80g/cm³，炭纖維復(fù)合材料密度是1.50～1.60g/cm³，而鋼材密度約7.87g/cm³，鈦密度4.5g/cm³，很明顯，炭纖維復(fù)合材料在重量上要比金屬材料輕得多。輕便的體育器材有利于使用者更好地進(jìn)行運(yùn)動，發(fā)揮水平，因此利用炭纖維復(fù)合材料質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)可以為使用者帶來良好的運(yùn)動體驗。

2.2比強(qiáng)度、比模量高

炭纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量分別是鋼材的7-12倍和3～5倍，梧桐木的3.4倍和4.4倍，高比強(qiáng)度和高比模量可以用來制作輕而剛的運(yùn)動器械。以上圖表中為幾種常見材料的力學(xué)性能比較。

2.3耐疲勞

炭纖維具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，炭纖維復(fù)合材料在經(jīng)過百萬次的疲勞試驗之后，它的強(qiáng)度依舊可以保留在60%左右，而鋼材的強(qiáng)度保留率在40%，鋁材在30%。炭纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)大的抗疲勞能力，可以在很大程度上延長體育器械的使用壽命。

2.4低熱膨脹系數(shù)

在正常室溫下，炭纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)近乎為負(fù)值;在200-400℃的時候，它的熱膨脹系數(shù)為0;在溫度低于1000℃時，熱膨脹系數(shù)是1.5x10⁶K。

2.5破損安全性能高

在斷裂的炭纖維復(fù)合材料中，在基體作用下，除了斷裂口不產(chǎn)生作用之外，剩下的大部分炭纖維依舊可以發(fā)揮其作用，小部分纖維的斷裂不會能影響整體的破壞，因此，炭纖維復(fù)合材料運(yùn)用于體育器械中具有較高的破損安全性。

2.6阻尼大

炭纖維復(fù)合材料的聚合物有粘彈性和摩擦力，發(fā)生振動的時候，粘彈性和摩擦力可以實部分動能轉(zhuǎn)為熱能。因此，炭纖維復(fù)合材料比鋼、鈦合金的阻尼要大。

2.7設(shè)計自由

各向異性是炭纖維復(fù)合材料的一個重要特征，通過改變纖維的鋪疊方向和鋪疊方式，使某個方向或某個局部的受力情況增強(qiáng)，因此，炭纖維復(fù)合材料的運(yùn)用在器械的設(shè)計上更加自由，最大程度地發(fā)揮體育器械的使用效果。

2.8其他方面

體育器械的研發(fā)不僅要考慮自生身性能，性價比與衛(wèi)生問題也要納入考慮的范圍。炭纖維復(fù)合材料的體育器械衛(wèi)生性強(qiáng)，一般可以進(jìn)行回收，重復(fù)利用，而且復(fù)合材料的原材料價格較低，極大降低制作成本，有利于炭纖維復(fù)合材料器械產(chǎn)品的推廣與普及。

3炭纖維復(fù)合材料在體育器械上的成型技術(shù)

3.1纏繞技術(shù)

纏繞成型技術(shù)分為干法纏繞（如下圖）和濕法纏繞，把碳纖維預(yù)浸料均勻、有規(guī)律地纏繞在纏繞機(jī)芯模上，進(jìn)行固化以后，去除芯模獲得制品。纏繞成型技術(shù)比較適用于簡單的旋轉(zhuǎn)體和非旋轉(zhuǎn)體的制造，可以根據(jù)制品的受力情況將纖維按規(guī)律排布，充分利用纖維的強(qiáng)度特性，從而制成質(zhì)量輕且強(qiáng)固的制品。

3.2模壓技術(shù)

模壓成型的模分為陽模和陰模兩部分，將連續(xù)、短切纖維氈和織物作為增強(qiáng)材料。模壓技術(shù)制作出來的制品不僅表面光潔而且尺寸精準(zhǔn)，生產(chǎn)效率也很高，因此模壓成型技術(shù)特別適于高精度制品的大批量制作。

3.3RTM技術(shù)

RTM（樹脂傳遞模塑）是一種常見的復(fù)合材料成型技術(shù)，RTM技術(shù)不需要膠衣樹脂便能制出光滑的雙表面，可以制造出高精度、高纖維含量的高質(zhì)量復(fù)雜復(fù)合材料。RTM成型中有害氣體與物質(zhì)揮發(fā)較少，有利于維持良好的生產(chǎn)環(huán)境，保證勞動者的健康安全。目前，自行車與劃艇的主體部分的批量生產(chǎn)多是利用RTM成型技術(shù)。

3.4拉擠技術(shù)

拉擠成型技術(shù)是利用外力將帶狀織物或者纖維束經(jīng)過浸膠、擠壓、固化、定長切割之后而制成的線型制品。拉擠成型技術(shù)效率高且工藝簡單，應(yīng)用于炭纖維復(fù)合材料的體育器械的制作是非常理想的。

4 炭纖維復(fù)合材料在現(xiàn)代體育器械上的應(yīng)用實例

4.1高爾夫球桿

早起期的高爾夫球桿棒頭采用較為沉重的柿木，但由于柿木較重不利于運(yùn)動員隨意掌控和發(fā)揮。20世紀(jì)30年代美國的標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球桿是杠桿，直到1972年，美國利用纏繞法把炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成了黑桿，淘汰了以往的高爾夫球桿。由于炭纖維的可塑性，黑桿在設(shè)計上可實現(xiàn)更大維度，使球在飛行中更加穩(wěn)定。隨著炭纖維復(fù)合材料的不斷研發(fā)，也對高爾夫球桿進(jìn)行著不斷的完善，增加球桿的使用壽命，令球桿在性能上更加穩(wěn)定，使使用者完美發(fā)揮球技，將炭纖維復(fù)合材料有著廣闊的市場前景。

4.2撐桿

撐桿跳高是一項重要的奧運(yùn)會比賽項目，早期的撐桿主要材料是山胡核桃木，盡管此材料的撐桿很結(jié)實，但是沉重、儲能差、彈性低等缺陷極大影響了運(yùn)動員正常水平的發(fā)揮。撐桿經(jīng)歷了由山胡核桃木→竹竿→尼龍撐桿→玻璃纖維桿再到如今的炭纖維撐桿，炭纖維撐桿在硬度上不僅柔韌而且扭結(jié)不會斷裂，可以把運(yùn)動員持竿助跑的動能轉(zhuǎn)化為撐竿的彈性變形能，在撐竿被壓到最大弧度的時候，彈性變形能就會再次釋放出來，從而成為運(yùn)動員的勢能，幫助運(yùn)動員實現(xiàn)騰空躍起，飛越橫桿。

4.3滑雪板

近年來，滑雪運(yùn)動受到了廣泛關(guān)注，越來越多的人加入了滑雪運(yùn)動中?；┌遄鳛榛┻\(yùn)動的關(guān)鍵器材，不僅對滑雪者的滑雪成績有重要影響，對使用者的安全也有著密不可分的關(guān)系?，F(xiàn)今市面上性能較好的滑雪板一般是由玻璃纖維等復(fù)合材料制作而成，比以往的木質(zhì)、金屬滑雪板質(zhì)量上更輕、減震性能更高、使用壽命更長，也在很大程度上保證了運(yùn)動員的滑雪安全。

4.4網(wǎng)球拍

網(wǎng)球拍是一種較為常見的運(yùn)動器材，當(dāng)前市場中、高檔的網(wǎng)球拍基本都是利用炭纖維復(fù)合材料來制作的（詳見網(wǎng)球拍軸向剖視圖）。利用炭纖維復(fù)合材料制成的球拍具有良好的減震功能，延展性好，可塑性強(qiáng)。在大型網(wǎng)球拍的制作上，相比于過去的木制網(wǎng)球拍，同樣重量之下，炭纖維復(fù)合材料制成的球拍面積可擴(kuò)大越1.5倍，網(wǎng)線張力提升越20%-45%。由于炭纖維復(fù)合材料阻尼大，因此不容易起振，起振后也容易停振，提升運(yùn)動員在打球時手部的舒適度。

4.5自行車

隨著社會的發(fā)展，自行車不再僅是一種交通工具，更成為一種健身、競賽器材，因此需要對自行車材質(zhì)進(jìn)行改良，滿足人們的不同需求。炭纖維復(fù)合材料制成的高檔自行車，不僅使自行車的美感增加，也可以完善自行車的剛性和減震性能，降低車體重量，增強(qiáng)騎乘舒適度。

4.6射箭

在射箭運(yùn)動中，弓臂、瞄準(zhǔn)器及穩(wěn)定器都可以用炭纖維復(fù)合材料制作而成。利用炭纖維復(fù)合材料制作的弓臂不僅在重量上更加輕盈，而且加強(qiáng)了弓臂的彎曲模量和強(qiáng)度，對運(yùn)動員施加的最大彎曲應(yīng)力可以有效承受。炭纖維復(fù)合材料還可以用來制作箭桿，相比以往的竹子箭桿、玻璃鋼箭桿、鋁合金箭桿具有較好的比強(qiáng)度和比模量，也可以很好地提高箭桿的初速度和命中率。

此外，炭纖維符合材料還應(yīng)用于冰球棒、游艇、賽艇、帆船桅桿、登山用品、滑翔機(jī)、壘球、釣魚竿等諸多體育用品方面，是當(dāng)代體育器械的重要材料。

5 結(jié)語

綜上所述，炭纖維復(fù)合材料是體育器械的一種重要材料，在體育器械中有著極高的應(yīng)用價值。隨著科技的發(fā)展與成熟，體育器械也需要與時俱進(jìn)，充分利用高科技炭纖維復(fù)合材料來優(yōu)化器械的應(yīng)用體驗，這不僅滿足了現(xiàn)代競技體育的發(fā)展要求，也推動了全民體育活動的高質(zhì)量開展，為體育事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展提供了有效支撐。