基于體育器材的碳纖維復合材料實踐運用

高芳芳 張瓊 賈琳

摘要：碳纖維屬于碳含量比較高的無機高分子纖維材料，具有外柔內剛的特性，質量非常輕，強度卻很高。根據不同配比，將碳纖維與樹脂融合，構成碳纖維復合材料。目前進行體育器材制造時，主要使用的材料便是復合材料，而碳纖維符合材料為最佳選擇。通過新材料提高體育器材的整體功能，以此保證體育運動效率與質量。據此，文章主要對基于體育器材的碳纖維復合材料的實踐應用進行了詳細分析。

關鍵詞：體育器材;碳纖維;復合材料

中圖分類號：TQ342⁺.72文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0063-03

1 基于體育器材的碳纖維復合材料實踐運用的優(yōu)勢

1.1質輕

以體育器材為載體鍛煉身體，除特殊項目體育器材對重量有明確要求，其他的則是器材越輕越好，質輕有利與人們在鍛煉時正常發(fā)揮，即網球拍、球桿類、自行車等等，甚至是帆船和賽車等需要以動力為重要輔助的機械類器材，也要求材料必須質輕，以此減少動力，節(jié)約燃料。因此，碳纖維復合材料的質輕特性可以為人們提供便捷，并且在此基礎上，節(jié)約能耗。

1.2力學性能良好

碳纖維復合材料的彈性與韌性都非常好，是普通材料不能替代的，其特性與體育器材使用時，所需充分考慮的力學性能明確相符，因此，其是體育器材用料的最優(yōu)選擇。此外，碳纖維復合材料極易加工，可塑性較強。普通材料因為自身性能約束，缺乏良好的可塑性，出現(xiàn)破損時難以快速修復，并且修理成本比較高，但是碳纖維復合材料并不存在這些憂患，其可塑性非常突出，因此，在進行設計時，比較隨意多變。

1.3安全衛(wèi)生

總之，碳纖維復合材料不僅具備良好的多元化性能，還屬于節(jié)能環(huán)保材料。因此，其安全與衛(wèi)生保障完善。并且，其中部分復合材料還能回收利用，這就在很大程度上節(jié)約了體育器材制造成本，這將有利于體育器材的發(fā)展與推廣。所以碳纖維復合材料在體育器材中的應用前景十分廣闊。

2 基于體育器材的碳纖維復合材料應用現(xiàn)狀

碳纖維具有其自身的獨特優(yōu)勢，即低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導電性與導熱性良好、熱膨脹系數比較低等。碳纖維的許多優(yōu)異性能，促使其發(fā)展成了制備多元化結構與功能型復合材料的主要原料。而碳纖維復合材料則是碳纖維增強聚合物基復合材料與碳纖維增強碳基復合材料，已經在一定程度上實現(xiàn)了在航空航天、風電以及體育器材等相關領域的廣泛應用。

2.1航空航天

碳纖維復合材料廣泛應用，促使飛機重量顯著縮減，節(jié)省了油耗，并降低了運營成本。而廣泛應用復合材料所獲取的低油耗與高巡航速度，促使飛機實現(xiàn)了點對點不經停的直飛。碳纖維復合材料以其耐高溫、抗磨損與比熱容較大等特性，備受飛機制動裝置制造青睞，不僅可以節(jié)省40%結構重量，還能夠延長制動盤使用壽命。

2.2風電葉片

風能屬于清潔可再生能源，是無窮無盡的。在風電系統(tǒng)中，碳纖維復合材料主要應用在風電葉片與儲能飛輪等方面。在風電葉片的長度超出40m的時候，便需利用碳纖維復合材料。當前，風力發(fā)電機組正在逐漸朝向大型化方向發(fā)展，而風輪的直徑也超出了120m，最長葉片超過了60m，對此使用碳纖維復合材料，不僅可以顯著縮減重量，還可以降低葉片成本，以及風電裝置成本。

2.3體育器材

基于安全和減重需求角度，碳纖維復合材料在自行車、沖浪板、高爾夫球桿、滑雪板等方面的應用，是消耗量最大的碳纖維應用領域，大約能夠節(jié)省5kt碳纖維，穩(wěn)定性與可靠性非常好。

2.4碳纖維復合材料芯導線

現(xiàn)階段，發(fā)達國家開發(fā)了碳纖維符合材料芯導線。碳纖維負荷材料芯導線主要是通過碳纖維符合材料芯制成的，強度較高，比重比較小，能夠顯著降低架線鐵塔整體負荷，縮短安裝工期，保證安全性與穩(wěn)定性，而且不會出現(xiàn)鋼絲引發(fā)磁損或熱損的現(xiàn)象，輸電損失比較小，節(jié)能效果較好。當前我國現(xiàn)階段主要通過線路增容改造，在新建線路，尚未實現(xiàn)大規(guī)模全面推廣，主要問題在于安全可靠、經濟實用、運行穩(wěn)定等等。

3 基于體育器材的碳纖維復合材料實踐運用

3.1纏繞成型技術

在纏繞機上，把預浸料坯均勻并規(guī)律性地纏繞到轉動芯模上去，然后進行固化并除去芯模，以此獲取器材。纏繞成型技術不僅適合進行簡單旋轉體制造，即圓柱體或者球體、圓筒形制品等，還適用于非旋轉體部件制造。顯著特性是就器材受力狀況，根據既定規(guī)律進行纖維均勻分布安排，以此將纖維的強度全面發(fā)揮出來，從而獲取輕質并且強度較大的器材。而在工藝上，可以進行連續(xù)化與機械化生產，生產周期比較短，生產效率與水平較高，勞動強度相對偏低。但是其中也存在不足，即器材固化之后，還需要進行芯模去除操作，并不適合帶有凹曲表層的器材制造，此方法適用于進行高爾夫球桿與釣魚竿制造。

3.2模壓成型技術

模壓成型技術是基于封閉模腔內部，以加熱與壓力為輔助固化并制成復合材料器材的方式。模壓成型時，模具主要包含陰模與陽模兩大部分，其中增強材料則選擇短切纖維氈、織物等等，模壓成型技術的生產效率比較高，器材的尺寸標準，表層干凈整潔，比較適合進行大批量、精確度與循環(huán)性要求高的體育器材制造。結構比較復雜的體育器材，可以一次性成型，不需要采取輔助加工，還可以避免對器材性能造成損傷，而且器材外觀與尺寸循環(huán)性良好。但是缺陷在于模具設計制造太過繁雜，在初始投資的時候成本比較高，很容易受使用設施設備的約束。

3.3RTM成型技術

RTM成型技術，就是所謂的樹脂傳遞模塑，是復合材料經常使用的成型技術。此技術主要是把纖維與預成坯鋪放到密封模腔中，通過壓力作用把樹脂液傳輸到模腔中去，浸透纖維與預成坯固化之后，脫模成型為體育器材。此成型技術的優(yōu)勢在于可以制造出質量較高、精確度較高、孔隙率比較低、纖維含量非常高的復合型材料器材，不需要膠衣樹脂，便能夠獲取更加光滑的雙表層。體育器材從設計到投產整個流程，耗費時間比較短，生產效率與質量高。且RTM模具與成型器材能夠利用CAD完成設計，模具制造簡單，材料的選擇面廣泛。此外，RTM成型構件與管件極易實現(xiàn)局部增強或者制造局部加厚的構建，帶有芯材的復合材料可以一次性成型。RTM成型時，不會大量揮發(fā)，可以在一定程度上保證操作工人身體不受損害，也會造成環(huán)境污染。當下利用RTM技術主要進行自行車與劃艇主體部分大批量生產。

3.4拉擠成型技術

拉擠成型技術主要適用于進行碳纖維復合材料型材連續(xù)性生產。而拉擠就是纖維束或帶狀織物受外力牽引作用，通過浸膠、擠壓成型、加熱固化等，制造具備特定橫截面形狀與長度不受限的線型器材。其把通過浸漬之后的連續(xù)纖維基于具備截面形狀的成型模具，基于模腔內實現(xiàn)固化成型，或者基于模腔內部凝膠與出模，然后加熱實現(xiàn)固化成型，受牽引機械拉力的帶動，能夠連續(xù)牽出無限長度的型材體育器材。拉擠成型的工藝比較簡單，生產效率也非常高。在進行體育器材制造的時候，增強纖維沿著軸向平行進行均勻排列，可以充分發(fā)揮其強度。而且通過纖維氈增強材料，可以制造具備向同性器材。而通過編織帶能夠在很大程度上提升器材橫向強度。拉擠成型器材具備強度高、輕質、表層質量好等優(yōu)勢特性，其對各種類型體育器材而言，應用都非常理想，即弓箭、撐桿、滑雪桿等等。

4 碳纖維復合材料應用制成的體育器材類型

4.1高爾夫球桿

高爾夫球桿屬于一項貴族運動，球在初始時速度直接影響著高爾夫球運動整體，其對高爾夫球桿要求非常高。傳統(tǒng)高爾夫球桿的棒頭是選用柿木制造的，但是柿木重量較大，很容易影響運動員掌控和揮桿，隨后便衍生了纏繞法，以此將碳纖維增強復合材料制造成黑桿，以此代替了傳統(tǒng)球桿。黑桿的棒頭比較請，有利于提高球的初始速度。同時，因為復合材料可塑性比較強，黑桿的設計維度比較大，可以促使球在飛行時，更加穩(wěn)定有序。在復合材料與工藝不斷更新優(yōu)化的趨勢下，高爾夫球桿越來越完善，其重量與尺寸等基礎性能越來越優(yōu)異。而強度與彈性高的高爾夫球桿的性能也非常穩(wěn)定，使用壽命也隨之增加，最顯著特性是使用者能夠更加全面發(fā)揮出自身高超的球技，因此，利用碳纖維復合材料制造高爾夫球桿已經成為主要趨勢，而且前景廣闊。

4.2滑雪板

近年來，滑雪運動備受青睞，其中滑雪板則是關鍵的體育器材，與運動員最終成績息息相關，并且與運動員的安全密切相聯(lián)，因此，必須對此采取有效措施加以解決。在滑雪板制造上，應保證質量輕，減震性能強，使用壽命長，因此，最佳選擇就是復合材料。通過利用玻璃纖維等復合材料可以制造性能良好的滑雪板，并且比傳統(tǒng)木質和金屬的滑雪板質量好，木質的容易變形損壞，金屬的適應性較差，但是復合材料的滑雪板并不存在這些后顧之憂，還可以強化其韌性，延長使用壽命。

4.3網球拍

在體育器材中，網球拍比較常見，現(xiàn)在中高端的網球拍都是利用碳纖維復合材料制造的，其優(yōu)勢在于延展性與可塑性比較好，使得球拍的減震性能良好，并且設計類型越來越多元化。碳纖維復合材料最早的實踐應用實例在美國，后續(xù)其他企業(yè)開始效仿。其1，碳纖維符合材料能夠制造生產大型的網球拍，是傳統(tǒng)木質球拍不能比擬的，相同重量，但延展性卻存在顯著差異，而且網線張力也明顯較大。碳纖維的顯著特性是質輕、強度高、模量高等，因此盡管大型網球拍也可以確保其重量與不變性;其2，減震吸能性良好。在網球運動中，球拍與球之間的作用力，可以引發(fā)震動，但是碳纖維復合材料的減震效果較好，可以降低甚至消除振幅，運動員手感振幅幾乎不可見，非常舒適;其3，碳纖維復合材料制造的網球拍能夠增加設計自由度。

5 結語

綜上所述，碳纖維復合材料在國內外的發(fā)展?jié)摿Χ急容^大，而且發(fā)展前景良好。到現(xiàn)在，碳纖維復合材料已經在體育器材市場中占據了很大比例，并形成了一定程度的認知基礎。在社會進步發(fā)展的推動下，人們對體育器材的要求也不斷提升，碳纖維復合材料不僅符合時代發(fā)展需要，與時俱進，而且還具備廣闊的發(fā)展前景，值得大力推廣與應用。