新型纖維材料在體育器材中的影響研究

黃珂

摘要：當(dāng)今社會體育運(yùn)動水平不斷提高，對體育器材的要求也日益提高，傳統(tǒng)的體育器材材料巳經(jīng)無法滿足這些不斷提高的新要求，新型纖維材料憑借其各種優(yōu)越的性能漸漸地在體育器材領(lǐng)域嶄露頭角，新纖維材料具有質(zhì)輕，高模量，高強(qiáng)度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等等特點，制作而成的體育運(yùn)動器材更加符合現(xiàn)代體育運(yùn)動的使用要求。通過介紹幾類新型纖維的性能以及在體育器材上的具體應(yīng)用，表明了新型纖維能夠在體育器材領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新型纖維;體育器材;影響;研究

中圖分類號：TQ317

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0066-05

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量水平也在不斷的提高，越來越多的人開始注重體育鍛煉。同時，體育的發(fā)展水平也可以體現(xiàn)一個國家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，體育的競爭從另一個方面來看也是科學(xué)技術(shù)的競爭，想要提高體育的科學(xué)技術(shù)水平，先進(jìn)，新穎的新型材料是必不可少的重要條件。體育運(yùn)動的不斷進(jìn)步發(fā)展，一方面取決于體育運(yùn)動的科學(xué)化，另一方面就是要依靠材料科學(xué)的發(fā)展?，F(xiàn)代的信息技術(shù)與新型材料在不斷的改變?nèi)藗兊纳罘绞?，體育器材的發(fā)展中新型材料起到了至關(guān)重要的作用。新型材料技術(shù)的不斷發(fā)展以及其在體育器材上面的廣泛應(yīng)用對其余器材的發(fā)展具有很大的促進(jìn)作用，新型材料具有許多普通材料所不具備的優(yōu)點，諸如強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，耐腐蝕性能好，設(shè)計自由度大以及以加工等等，體育行業(yè)因為對新材料，新技術(shù)以及新工藝的不斷研究產(chǎn)生了很大的變革，對體育器材材料的研究以及改進(jìn)也是近些年來的科研熱點。

1體育器材材料發(fā)展的意義

1.1材料

體育運(yùn)動的競爭就是科學(xué)技術(shù)的競爭，科學(xué)技術(shù)水平的提高依賴先進(jìn)新型材料的發(fā)展，在體育運(yùn)動器材。上面采用新型材料是改進(jìn)體育器材的重要手段之一。

材料是人類生存發(fā)展，改造自然以及征服自然的重要物質(zhì)，它與信息和能源被作為現(xiàn)代文明的三大支柱，是人類發(fā)展的歷史證明。材料科學(xué)的不斷進(jìn)步使得人們對自然的支配能力不斷的提高，也是對社會進(jìn)步的巨大促進(jìn)。

我國是制造業(yè)大國，制造業(yè)是離不開材料的。當(dāng)今世界材料的種類繁多，傳統(tǒng)的材料就已經(jīng)與有幾十萬種了，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型材料的品類也在不斷的增加。無論是直接應(yīng)用還是間接應(yīng)用，新型材料在體育器材領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，直接應(yīng)用主要變現(xiàn)在運(yùn)動員的服裝，裝備，比賽器材y9ij訓(xùn)練器材方面，而間接應(yīng)用則表現(xiàn)在裁判設(shè)備，運(yùn)動場地，指揮通信以及信息報道等反面的材料需求。

1.2材料對體育器材發(fā)展的影響

21世紀(jì)之前體育運(yùn)動器材采用的傳統(tǒng)材料稱為傳統(tǒng)區(qū)域器材材料，如皮革，木材，橡膠，金屬，玻璃等等。這些很多材料都是取材于大自然，根據(jù)最開始的體育設(shè)定而制備使用的，用以滿足人們對體育運(yùn)動競技的需求，其制備條件相對簡單，所以很容易推廣，在體育運(yùn)動的最初發(fā)展階段，傳統(tǒng)的體育器材材料起到了決定性的作用。但是傳統(tǒng)的體育器材材料也存在一些缺陷，例如在耐磨性，硬度，使用周期，可塑性以及某些特殊需求方面漸漸地?zé)o法適應(yīng)體育運(yùn)動的發(fā)，展需求，因而傳統(tǒng)的體育器材材料也由于科學(xué)家技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷進(jìn)步，如乒乓球拍的制作材料從開始單獨使用木材到后面改用術(shù)材和皮革的混合材料，后面更有合成橡膠的使用，同時也產(chǎn)生了許多的復(fù)合材料，隨著材料的不斷更新進(jìn)步，新型材料也開始被用在體育器材制造領(lǐng)域，新型體育器材材料指的是21世紀(jì)出現(xiàn)的高科技材料，由于其優(yōu)良的機(jī)械性能，力學(xué)性能以及物理特征，在體育器材中具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。這些材料具有高強(qiáng)度，輕重量，高模t，高硬度以及較強(qiáng)的可設(shè)計性能等優(yōu)點，在體育器材中使用這些新型材料能夠制作出各項性能都非常優(yōu)異的體育器材，所以被廣泛的應(yīng)用在體育器材的制造生產(chǎn)中。近些年來，科研人員研發(fā)了許多的新型材料，諸如碳纖維復(fù)合材料，鎂基材料，石墨烯，阿德米拉纖維，新型陶瓷復(fù)合材料，生物工程塑料等等，這些材料已經(jīng)在現(xiàn)代體育器材中被廣泛使用，在各種訓(xùn)練場地以及跑道的鋪墊上面，硅橡膠材料也漸漸被廣泛的使用，由此可見，新型的纖維材料在未來體育器材的制造領(lǐng)域有著十分廣闊的發(fā)展前景。

2新型纖維材料的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1質(zhì)輕

現(xiàn)代的許多體育運(yùn)動中，體育器材都是依靠人力來驅(qū)動的，因此會要求器材的重量越輕越好，如自行車，高爾夫球，滑雪板等等，新型的纖維材料絕大多數(shù)都具有質(zhì)輕的優(yōu)點，比如碳纖維增強(qiáng)材料，其制作而成的球桿，力學(xué)性能比金屬制作的球桿明顯增強(qiáng)，但是其重量卻只有金屬球桿重量的30%～50%，由此可見采用新型纖維材料制作的體育器材可以顯著降低體育器材的重量。

2.2良好的力學(xué)性能

力學(xué)性能的好壞是評價體育器材優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，只有保證其良好的力學(xué)性能才能確保其使用性能。而許多的新型纖維材料都具有良好的力學(xué)性能，如復(fù)合纖維材料，其具有優(yōu)良的抗阻尼減震性能，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)良的比模量，比強(qiáng)度以及比彈性，也因為這樣，這些新型纖維逐漸被作為體育器材的制作原料。

2.3較強(qiáng)的可設(shè)計性

現(xiàn)代新型的纖維材料具有很強(qiáng)的可設(shè)計性，尤其是近些年復(fù)合材料成型技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟，體育器材的設(shè)計空間大大增強(qiáng)，其設(shè)計自由度也得到提升，可以根據(jù)體育運(yùn)動的需求或者運(yùn)動選手自身的特點，設(shè)計制作更具人性化的體育運(yùn)動器材。

2.4對環(huán)境友好

環(huán)境保護(hù)問題一直是現(xiàn)代社會非常關(guān)注的問題之在開發(fā)設(shè)計體育運(yùn)動器材的過程中，器材的環(huán)保問題也是必須考，慮的方面，許多新型的復(fù)合纖維材料相較于傳統(tǒng)的體育器材材料，其在使用過程中不會釋放諸如甲醛、苯等有害氣體，新型纖維材料其本身也可以再次回收利用，由此可見，新型的纖維材料是一種節(jié)能環(huán)保的新型資源，更加符合現(xiàn)代社會的發(fā)展要求。

3新型纖維材料的分類

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，新型纖維的種類越來越豐富，并且被廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域，下幾種新型纖維在體育器材中應(yīng)用較為廣泛。

3.1碳纖維

碳纖維是一種高強(qiáng)度高模量纖維，其含碳量在90%以上，其耐高溫性能在所有的化纖中居首位，它主要是腈綸和粘膠纖維經(jīng)過高溫碳化或者石墨化而制成。當(dāng)今世界，碳纖維的研究和生產(chǎn)一直領(lǐng)先世界各國。碳纖維的力學(xué)性能十分優(yōu)異，其比強(qiáng)度大約是金屬鐵的20倍，但是比重非常小，比鋁還要輕，不到鋼的1/4。由于碳纖維的各種優(yōu)良性能，已經(jīng)被許多的高新技術(shù)行業(yè)所應(yīng)用，例如飛機(jī)制造軍工領(lǐng)域，棒球生產(chǎn)體育休閑領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電葉片工業(yè)領(lǐng)域等。碳纖維材料還具有優(yōu)異的物理性能，它具有高模量，高強(qiáng)度，小線膨脹系數(shù)以及低密度等優(yōu)點。此外，碳纖維還具有非常好的纖度，約為19g，其拉力卻高達(dá)300kg/mm？。所以，在一些對材料剛度要求嚴(yán)格，化學(xué)環(huán)境穩(wěn)定性要求高以及高溫環(huán)境的領(lǐng)域中，碳纖維復(fù)合材料可以發(fā)揮不可取代的優(yōu)勢。另外，不同種類的碳纖維其力學(xué)性能也存在差別，具體如表1所示。在制作體育器材是，要根據(jù)體育運(yùn)動器材的力學(xué)性能要求來選取，同時碳纖維和樹脂的粘附性，潤濕性較差，所以在制備碳纖維復(fù)合材料是，需要對材料的表面進(jìn)行活化處理[2]。

3.2玻璃纖維

日常生活中，人們對玻璃的認(rèn)識就是質(zhì)地堅硬的透明易碎的物質(zhì)，無法作為結(jié)構(gòu)用材，但是當(dāng)玻璃材料抽成絲后，其強(qiáng)度會大大增強(qiáng)，并且具有一定的柔軟性，因此當(dāng)它配合其他材料被賦予形狀之后是可以作為結(jié)構(gòu)用材使用的。玻璃纖維的直徑同它的強(qiáng)度是成反比的，在一定范圍內(nèi)，其直徑越小強(qiáng)度越大。玻璃纖維的制備過程時以玻璃球或者廢舊的玻璃作為加工原材料，經(jīng)過高溫熔制，然后拉絲，絡(luò)紗等工藝，玻璃纖維的直徑很小，比頭發(fā)絲還要細(xì)，只有頭發(fā)絲的1/20到1/5，大約為幾微米到二十幾微米，其纖維原絲都是由數(shù)百數(shù)千根的單絲構(gòu)成。玻璃纖維是開發(fā)應(yīng)用較早的一種復(fù)合材料，目前比較著名的玻璃纖維生產(chǎn)企業(yè)有中國的巨石玻纖和美國的歐文斯科寧。同樣，玻璃纖維也具有許多的優(yōu)良特性，如其尺寸穩(wěn)定性良好，耐老化性能良好，阻燃性好，耐熱性能以及耐化學(xué)性能也十分良好。物理性能優(yōu)異：拉伸強(qiáng)度，彈性模量大，伸長率低。玻璃纖維這些優(yōu)良特性非常利于制作體育運(yùn)動器材。

3.3硼纖維

硼纖維是一種重要的高科技纖維，是利用石英和鎢絲，經(jīng)過化學(xué)氣相沉積法制備而成，是一種復(fù)合纖維。美國空軍增強(qiáng)材料研究室是最在開發(fā)制備硼纖維的，主要是為了研究制備質(zhì)量輕，強(qiáng)度高的增強(qiáng)纖維材料，然后將這種材料應(yīng)用于高性能體系的尖端飛機(jī)的制造中。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步發(fā)展，硼纖維的使用領(lǐng)域不斷拓展，已經(jīng)被應(yīng)用在許多新的領(lǐng)域，例如體育娛樂用品，航天用品以及工業(yè)用品等領(lǐng)域，目前硼纖維的制備方法主要有乙硼烷的熱分解法，化學(xué)氣相沉積法以及熔融乙硼烷法，但是化學(xué)氣相沉積法是目前成本最低的方法，該方法主要是采用鎢絲作為芯材，其直徑為12.5um，經(jīng)過由電阻加熱的反應(yīng)管，主要的化學(xué)原料是三氯化硼和氫氣，讓它們由反應(yīng)管的。上端流入，然后進(jìn)行加熱使溫度升至大約1300C，化學(xué)反應(yīng)完成之后，硼就會在鎢絲的表面沉積，從而之制成硼纖維被導(dǎo)出。硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料是具有高強(qiáng)度，高模量的復(fù)合纖維材料，常被用作體育運(yùn)動器材的制作。

3.4超高模量的聚乙烯纖維

超高模量聚乙烯纖維是一種新型的的高新能纖維，同芳綸及碳纖維相比，它具有更高的強(qiáng)度和更輕的質(zhì)量，其密度只有0.97glcm？，此外，超高模量聚乙烯纖維的大分子結(jié)構(gòu)是具有高度取向的伸直鏈結(jié)構(gòu)，其化學(xué)穩(wěn)定性良好，化學(xué)惰性很強(qiáng)，其強(qiáng)度幾乎不是受到強(qiáng)堿，強(qiáng)酸和有機(jī)溶劑的影響，其耐候性也非常好，即使是經(jīng)過日曬1500h之后，它的纖維強(qiáng)度保持率也能保持在80%，另外，其耐紫外線、耐低溫性能也十分優(yōu)越，即使在-150C的低溫下也可以正常使用。在絕大多數(shù)高性能纖維中，超高模量聚乙烯纖維具有最強(qiáng)的耐彎曲耐磨性能，抗切割性能以及抗張力疲勞性能，由于這些優(yōu)異的性能在很多高新領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，諸如航空航天，車輛制造，安全，防護(hù)，體育以及造船等領(lǐng)域[4]。但是超高模量聚乙烯纖維非常不易于染色加工，因此它的用途在某些方面受到了限制，近些年，也有學(xué)者對其染色加工的方法進(jìn)行了研究，若這項技術(shù)研發(fā)成功，必定能夠擴(kuò)大超高模量聚乙烯纖維的使用領(lǐng)域。

3.5碳化硅纖維

碳化硅纖維是一種具有高模量，高拉伸強(qiáng)度，良好相容性的新型纖維，此外，其具有良好的耐高溫性E，能夠在1250C的高溫下使用。碳化硅纖維的制備方法有2種，①化學(xué)氣相沉積法，②驅(qū)體轉(zhuǎn)換法。由于碳化硅纖維的高模量，高拉伸強(qiáng)度的優(yōu)越性能，用其復(fù)合材料制作成的體育運(yùn)動器材具有良好的抗沖擊，耐磨以及抗壓性能。

3.6芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維（Aramid）是不同于脂肪族聚酰胺的一種新型纖維，其最開始是由Dupont公司發(fā)明。由于它的化合物的熔點都比它的分解溫度高，所以只能通過溶液法制取纖維，其成形方法2種，①以濃硫酸作為溶劑的千濕法紡絲，②Monsand方法，這種方法是將對位芳香族聚酰胺進(jìn)行化學(xué)改性，然后將其溶解到有機(jī)溶劑里面，最后紡制成絲。芳香族聚酰胺纖維具有低密度，高模量，高強(qiáng)度，耐高溫以及與樹脂粘結(jié)性好等特點，是一種高附加值，高技術(shù)含量的特種纖維，用其制成的增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的拉伸強(qiáng)度，比碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)材料的拉伸性能還要好。

3.7混雜纖維

混在纖維增強(qiáng)材料指的是將兩種短纖維混雜或者兩種長絲單項增強(qiáng)的纖維材料，混雜纖維增強(qiáng)材料在具備單一纖維的特點的情況下還能夠或的另一種纖維的特殊性能，這種混雜纖維能夠夠好的滿足體育器材的使用要求，同時做到優(yōu)勢互補(bǔ)。混雜復(fù)合材料的研究具有非常重要的意義，其一是節(jié)約成本，在進(jìn)行混雜纖維制備是可以采用便宜的纖維取代昂貴的纖維，這樣可以大大降低成本。其次是可以對要選取的纖維進(jìn)而體積含量進(jìn)行優(yōu)化選擇，這樣就可以獲得范圍寬廣的機(jī)械性能和物理性能。第三點就是經(jīng)過纖維不同組合，可以獲得某些獨特的纖維材料特性，這是單一的纖維材料所無法具備的。

4體育器材中新型纖維材料的應(yīng)用

許多新型纖維所具備的優(yōu)良性能是出傳統(tǒng)材料所不具備的，因此很多體育器材的制造上面都已經(jīng)開始采用新型纖維材料，例如賽艇，自行車，球桿，籃球以及滑雪板等等，新型纖維的使用使得體育器材具備了更加優(yōu)良的使用性能。

4.1賽艇

賽艇運(yùn)動中，由于賽艇要不停的受到高速運(yùn)動的水的沖擊，因此要求賽艇具有非常好的抗沖擊性能，同時也要減少賽艇的附負(fù)重，這樣有利于加快運(yùn)行速度，對于這樣的要求，單一的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是無法滿足的，所以進(jìn)過研究者的改進(jìn)設(shè)計，將玻璃纖維和碳纖維進(jìn)行混雜制成纖維復(fù)合材料，也就是CF/GF混雜纖維復(fù)合材料，用這種新型纖維制成的賽艇性能也表現(xiàn)出混雜效應(yīng)，但是仍在孫在抗沖擊性能不夠，體重超標(biāo)的問題，所以研究人員又引入了芳綸纖維，設(shè)計出了CF/KF混雜纖維復(fù)合材料，用這種材料制成的賽艇能夠顯著改善賽艇體重超標(biāo)及抗沖擊性能不夠的缺點。將混雜纖維應(yīng)用到賽艇的制作中，能夠使賽艇具備范圍更寬廣的機(jī)械性能和物理性能，于此同時也能夠獲得獨特的組合性能，這是傳統(tǒng)的單一類纖維材料無法達(dá)到的。

4.2自行車

新型纖維材料在自行車行的應(yīng)用主要表現(xiàn)在碳纖維的應(yīng)用，早年歐洲國家將碳纖維經(jīng)過纖維編織機(jī)編織成自行車架的骨架，然后將其放置在模腔內(nèi)，將樹脂注人其中再進(jìn)行升溫加壓固化，左后將其表面進(jìn)行光整處理，采用這種方法制成的碳纖維整體車架具有重量輕，剛度大的特點，后來碳纖維整體車架成形工藝的發(fā)展成熟，使得這種車架逐漸在歐洲市場獲得了很高的地位。比較著名的就是KESTREL車架和PR09000整體式車架"。后來，人們又開始研發(fā)設(shè)計質(zhì)量更輕的車架，碳纖維車架的強(qiáng)度由于金屬材料車架，同時質(zhì)量比鋁合金的質(zhì)量還輕，也具備了良好的抗空氣阻尼的性能。

4.3籃球

研究人員采用抗潮濕的混雜微纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮革制成了一種新型的籃球，它不是傳統(tǒng)籃球的八塊橢圓形板材構(gòu)成，而是采用兩塊對接交叉板構(gòu)成，使

用時這種籃球手感更好，防滑性能好，即使是由汗水粘在球面也能很好的被球員掌控"，這種新型纖維的成功研發(fā)使用也題體現(xiàn)了混雜纖維優(yōu)勢互補(bǔ)的特點。

4.4滑雪板

在滑雪運(yùn)動中，運(yùn)動員的成績以及生命安全都與滑雪板息息相關(guān)，因此滑雪板的制作和選材尤為重要。隨著時代大發(fā)展，滑雪板的材料也發(fā)生了許多變化，最開始滑雪板全是用的木材，雖然木材學(xué)材料價格便宜且質(zhì)量較輕，但是它容易受潮而變形，再后來人們用金屬、玻璃纖維代替木材，一直到如今的碳纖維及混雜纖維。設(shè)計方面，滑雪板也已經(jīng)進(jìn)行了許多的優(yōu)良改進(jìn)，使其不易打滑圖，速度也更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎更加靈活。新型纖維的使用也是的滑雪板更能適應(yīng)不停雪質(zhì)的雪地，在維護(hù)上面也更為方便。

5結(jié)語

當(dāng)今社會，體育競技水平在不斷的提高，對于運(yùn)動員所使用的體育器材的要求也是越來越高，進(jìn)而歲體育運(yùn)動器材所使用的材料的性能要求就越來越高。體育器材根據(jù)體育運(yùn)動的內(nèi)容而有不同的要求，并且同一體育器材其不同部位也是有不同的要求的，例如既要求良好的抗沖擊性能，有要求高的剛度強(qiáng)度，既要求良好的動態(tài)性能又要求良好的靜態(tài)強(qiáng)度，因此傳統(tǒng)的單一類纖維材料是很難滿足這些要求的，為了達(dá)到這些要求，新型纖維材料的研發(fā)應(yīng)用是必不可少的，絕大多數(shù)的新型纖維材料都是具有優(yōu)越的機(jī)械物理性能的，如高模量，高強(qiáng)度，良好的尺寸穩(wěn)定性，抗老化，化學(xué)性能穩(wěn)定以及耐疲勞，耐高溫等等，新型纖維的這些優(yōu)異性能對體育器材的研發(fā)制作起到了非常重要的作用，隨著世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為新型纖維的設(shè)計研發(fā)提供了良好的發(fā)展環(huán)境，使其在體育運(yùn)動器材領(lǐng)域的影響越來越深遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙炳璞，高建和.體育運(yùn)動對材料的依賴及面臨的問題[J].中國體育科技，1997，33（9）：39-45.

[2]杜希巖，李煒.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用[J].山東紡織科技，2007，10（1）49-54.

[3]畢鴻章.硼纖維及其應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，2003，28（1）：30-35.

[4]胡志鵬.我國化纖行業(yè)發(fā)展綜述[J].中國石油和化工經(jīng)濟(jì)分析，2006，（22）：15-20.

[5]申屠年特種纖維復(fù)合材料賽艇的研制[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2001，10（6）：5-10.

[6]陶浩，段紅杰，楊向東.碳纖維自行車車架的研制和開發(fā)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，1997，（4）：14-19.

[7]于柏峰.NBA引進(jìn)復(fù)合材料籃球[J].纖維復(fù)合材料，2007，33：6-10.

[8]吳國慶，易峰.高性能纖維與體育運(yùn)動[J].中國纖檢，2002，8（2）：40-45.