復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用探究

張育新 張悅 向祖兵

摘? 要：復(fù)合材料是運用先進制備技術(shù)將不同材料組分優(yōu)化合成的新材料。相比傳統(tǒng)的木料、鋼鐵等，復(fù)合材料具有密度小、力學性能好、可設(shè)計和可加工性強、耐久性、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，在化工、汽車、電子電氣、醫(yī)學、航空航天、鐵路建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，由于對復(fù)合材料上述優(yōu)勢的不斷研究與利用，大大提高了我國體育用品的性能和質(zhì)量，復(fù)合材料逐漸在體育用品領(lǐng)域成為研究熱點。本文歸納了復(fù)合材料應(yīng)用于體育用品領(lǐng)域的優(yōu)勢所在，并分別對不同復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用進行分析，展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;體育用品;應(yīng)用

中圖分類號：G818? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2020）42-0055-06

體育已成為體現(xiàn)綜合國力、激發(fā)民族精神的宏偉事業(yè)。根據(jù)中國體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2019），我國體育用品制造業(yè)增加值從2014年的2547億元增長到2017年的3265億元，從增長速度看，2014至2017年的行業(yè)年均增速為10.5% [1]，這為復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極大的發(fā)展空間。復(fù)合材料種類很多，主要有纖維復(fù)合材料、塑料復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料等，具有密度小、抗震性能強、易加工成型等優(yōu)勢。在體育用品領(lǐng)域，體育器材行業(yè)要可持續(xù)發(fā)展，必須根據(jù)不同使用者，尤其是優(yōu)秀運動員的需求來進行器材研發(fā)。在某種程度上，體育競技也是科技的競技，隨著競技體育的競爭日趨激烈，復(fù)合材料體育器材裝備的研發(fā)大有可為。

一、復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢

（一）密度小

體育器材與體育運動是相互促進的，而大多體育運動都是通過人力進行的，較重的運動器材對運動員來說反而是一種負擔。為了盡可能發(fā)揮運動員的真實水平，大多運動器材都會采用質(zhì)輕的材料，例如帆船、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿等。傳統(tǒng)的木材雖然質(zhì)輕，但由于其易損壞，不耐久等缺點而逐漸被金屬取代。大多復(fù)合材料的密度遠遠低于金屬的密度（如表 1所示） [2]，其優(yōu)勢是顯而易見的。

（二）力學性能好

復(fù)合材料的塑性、強度、疲勞強度、抗震性和彈性等力學性能都遠超木材、鋁合金、鋼鐵等材料（如表 2所示） [3]。酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料等熱固性復(fù)合材料所制造的器材在靜載荷作用下能夠抵抗永久變形或斷裂，而如聚氯乙烯一類的熱塑性復(fù)合材料又能夠在荷重時發(fā)生永久變形卻不被破壞。

以網(wǎng)球拍為例，對采用普通材料和碳纖維復(fù)合材料進行最大受力工況應(yīng)力應(yīng)變分析。當材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱為應(yīng)變。材料發(fā)生形變時，物體內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。采用Ansys進行受力分析，首先在Ansys19.workbench中劃分網(wǎng)格，并施加邊界條件和受力條件，如圖 1所示。普通材料及碳纖維材料的應(yīng)力及應(yīng)變分析結(jié)果分別如圖 2、圖 3所示。

（三）可設(shè)計和可加工性強

復(fù)合材料由基體材料和增強材料組合而成，基體材料主要有鋁、鎂、橡膠、石墨等金屬和非金屬，增強材料主要有玻璃纖維、硼纖維和芳綸纖維等。各種組合成分的比例改變，或加入一種新的材料，整個材料的性能也會發(fā)生巨大的改變。復(fù)合材料的加工方式多種多樣：拉擠成型技術(shù)、模壓成型技術(shù)、纏繞成型技術(shù)和樹脂傳遞模塑成型技術(shù)等，可根據(jù)使用者的需求設(shè)計出最適合他的器材。不僅如此，復(fù)合材料因其自身可塑性強，其二次修護也是極為方便的，可以大大節(jié)省維修費用。

（四）耐久性

傳統(tǒng)的戶外運動器材大多采用鋼鐵，因為長時間暴露在外，經(jīng)過風吹日曬，會逐漸生銹被腐蝕。因此，戶外運動器材往往存在很大的安全隱患。而復(fù)合材料因其良好的耐水性、耐腐蝕性和耐熱性等（如表 3所示） [4]，能夠長時間暴露在外而不受影響，大大延長了器材的使用壽命。

（五）綠色環(huán)保

大多運動器材都會與運動員的身體部位直接接觸，若采用的材料揮發(fā)出有毒氣體，如乒乓球拍使用的膠黏劑釋放甲醛，橡膠釋放有毒硫化物等，必定會對運動員的身體產(chǎn)生危害，還會污染環(huán)境。復(fù)合材料安全環(huán)保，部分材料能夠二次回收利用，衛(wèi)生性強，無論對環(huán)境還是人體，都十分友好。

二、不同復(fù)合材料的性能

（一）纖維復(fù)合材料

芳綸復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料是主要的兩種纖維復(fù)合材料。齊佳認為，芳綸用具在體育防護用具中能夠充分發(fā)揮自身耐酸堿、強度高、可紡織性強等優(yōu)點，其密度能夠達到1.42～1.45g/cm3 [5]。賈琳分析得出芳綸材料最優(yōu)秀的力學性能是0°拉伸強度，遠遠高于玻璃纖維材料或碳纖維材料，制作的防護用具有較好的透氣性和減震性，在危險系數(shù)較高的運動中能夠有效緩解沖擊，但也存在壓縮強度低以及不耐紫外線照射的問題 [6]。碳纖維復(fù)合材料具有碳材料的固有本性特征和纖維的柔軟可加工性，其研究與生產(chǎn)得到了全世界的重視，其中日本、美國的投入與研究最多 [7]。20世紀80年代，意大利，法國，英國和美國相繼開發(fā)了碳纖維自行車，它的強度、硬度和性能遠遠超過傳統(tǒng)的自行車 [8]。孫晉媛指出，應(yīng)用了柔韌性非常理想的全掌碳纖維底盤的運動鞋，能使運動員從地面獲取更大的反作用力;通過特氟綸纖維設(shè)計的泳衣能夠減小水流的阻力 [9]。由此可見，各國對纖維復(fù)合材料的研究都極為重視，且研究成果矚目。纖維材料在體育用品領(lǐng)域的使用必將成為一種全球化潮流和趨勢，體育器材行業(yè)對纖維復(fù)合材料的需求量也會越來越大。

（二）塑料復(fù)合材料

塑料復(fù)合材料大多由高聚物基體和不同增強體復(fù)合而成，使用壽命長，優(yōu)異的成型工藝使得塑料復(fù)合材料器材易于實現(xiàn)量產(chǎn)的目標，能夠及時滿足體育器材行業(yè)的需求。江偉指出，不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯等是典型的塑料復(fù)合材料，基于纏繞成型的工藝方法，不飽和聚酯可以用來制造高爾夫球棒，環(huán)氧樹脂還可用于制造堅固耐用的攀巖墻 [10]。張建龍分析得出聚氨酯材料在滑板制造中被大量使用，這是化學合成的硬橡膠，通過材料比例的改變以達到不同路面所需的硬度和彈性要求，具有很高的經(jīng)濟效益和實用性 [11]。不僅如此，聚氨酯材料安全等級高，局部遭到破壞不會對整體造成影響，以聚碳酸酯為原材料的護目鏡即便破裂也不會對眼睛造成損傷。

（三）鎂基復(fù)合材料

鎂基復(fù)合材料疲勞強度高，具有良好的耐磨損性，是金屬基復(fù)合材料中比強度和比模量最高的一種，適用于體育競爭中高強度、經(jīng)常會出現(xiàn)磨損的體育器材領(lǐng)域，但由于是金屬基復(fù)合材料，其原料成本問題也是不可忽視的。任祥鈺等人經(jīng)過實驗分析得出室外的體育器材受溫度的影響較大 [12]，我國有的地方夏天曬烤溫度可達700℃，而冬天低至-500℃，采用鎂基復(fù)合材料制作而成的腰背按摩器、戶外雙杠、健身轉(zhuǎn)盤等戶外運動器材，其性能不會因為溫度的變化而降低，有著較強的韌性和安全性。不僅如此，鎂基復(fù)合材料還被應(yīng)用于自行車，網(wǎng)球拍等領(lǐng)域。受制備工藝和材料成分的影響，目前除碳纖維增強體外，其他增強體鎂基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用較少，缺乏多樣性，因此，對該類復(fù)合材料的應(yīng)用還有待進一步的深入研究。

三、復(fù)合材料在不同體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）水上運動設(shè)施

水上運動項目包括賽艇、帆板、皮劃艇等，全程在水上完成，為確保水上運動設(shè)施在水中的安全性和穩(wěn)定性，主要采用不滲水、耐腐蝕的塑料復(fù)合材料和高強度的纖維復(fù)合材料。不飽和聚酯因其柔韌性與耐酸性良好，通常將其與纖維材料復(fù)合應(yīng)用于制作皮劃艇的艇身結(jié)構(gòu) [12]。賽艇艇身部分大多采用芳綸纖維復(fù)合材料，艇身骨架采用高強度的玻璃纖維增強塑料，槳則大多使用泡沫夾層板。在沖浪板、滑水板等設(shè)施中，其表層材料由聚氨酯泡沫和纖維增強塑料復(fù)合而成，內(nèi)層則使用乙烯基樹脂和聚氯乙烯所構(gòu)成的復(fù)合材料 [13]。但聚苯乙烯、聚氨酯等復(fù)合材料的高毒性往往會危害工人的身體健康乃至環(huán)境，Truc T. Ngo等人研究的生物基聚合纖維復(fù)合材料可被生物降解，制成的體育用品在使用壽命結(jié)束后能夠降解成對環(huán)境友好的副產(chǎn)物，同時不會影響強度等性能 [14]。水上運動逐漸成為人們的新寵，水上自行車、水中大滾筒、風箏沖浪等新型水上運動項目逐漸增多，這也就意味著需要更多新型的復(fù)合材料來滿足水上運動設(shè)施的需求。高強度、耐腐蝕的碳纖維增強復(fù)合材料以及可生物降解的聚合纖維材料在水上運動用品領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景 [15]。

（二）球類運動設(shè)施

球類運動設(shè)施中的擊球工具主要采用高強度、高彈性的芳綸和碳纖維復(fù)合材料，而球類為保證使用壽命，主要采用耐磨、耐沖擊的塑料復(fù)合材料。用于制造這類設(shè)施的復(fù)合材料除了要考慮提升球類的品質(zhì)和速度，減輕工具的質(zhì)量，還要考慮使用者的舒適度，達到減震吸能的效果，確保使用者能夠發(fā)揮出真正的技術(shù)。

Zhang指出，現(xiàn)在的高爾夫球桿大多采用碳纖維復(fù)合材料，其質(zhì)量輕，強度高，彈性高，耐沖擊，提升了高爾夫球的飛行距離和飛行的穩(wěn)定，也使運動員能夠充分發(fā)揮高爾夫球的強度和技術(shù) [16]。Yang總結(jié)出碳纖維網(wǎng)球拍減震性能較好，不易變形，其張力較普通的球拍提升20%～45%左右，增加球與網(wǎng)的接觸時間可以改變球的初速度 [17]。由于芳綸材料比碳纖維的延展性更低，部分網(wǎng)球拍會采用芳綸纖維。碳纖維網(wǎng)球拍比芳綸稍硬，產(chǎn)生的振顫稍大，往往在球拍柄注射巢狀的聚氨醋泡沫來降低振顫力度，提高運動員的舒適感 [8]。另外，Wang分析認為，在乒乓球拍底板中加入碳纖維復(fù)合材料，可大大提高球拍的硬度，增加擊球瞬間的靈敏度，縮短球在底板上的停留時間，且有利于降低擊球弧度 [18]。常見的球類有高爾夫球、保齡球、棒球等，其中高爾夫球以發(fā)泡離子樹脂作為主要材料，具有高旋轉(zhuǎn)性和擊球感。張文新等人針對保齡球外殼進行試驗，對異氰酸酯、低聚物多元醇、擴鏈劑和多種功能助劑的種類和用量進行了系統(tǒng)地分析和考察，制造出了質(zhì)量優(yōu)良，抗摔次數(shù)高達800多次，高耐磨、高彈性、耐沖擊的新型聚氨酯保齡球外殼 [19]。

（三）運動場地

運動員和運動場地之間的動態(tài)相互作用對運動員極為重要，著陸沖擊力受運動場地材料的強烈影響，目前運動場地材料主要以能夠吸收沖擊力的塑料復(fù)合材料為主。專業(yè)的體育競技比賽地板普遍地應(yīng)用一種新的、米粒大小的橡膠碎片，因其具有良好的緩沖性、柔軟性和彈性。這種地板大大降低了地板對運動員身體的沖擊力度，在保護運動員身體的同時，該地板的空氣伸縮性以及空氣彈力層也達到了理想的消音效果 [20]。目前，傳統(tǒng)的水泥運動場已逐漸被聚氨酯塑膠跑道代替。聚氨酯塑膠的高彈性可減少運動者體力消耗，有效保護其腳和膝關(guān)節(jié);理化性能穩(wěn)定，耐氣候老化性能優(yōu)良;良好的室溫成型效果，適合大面積施工鋪設(shè);沒有大量灰塵，也更容易保養(yǎng)維護，適合學校高頻率高強度的使用 [21]。不僅如此，這種塑膠跑道耐磨耗性小于2.5%，抗釘力強，在受力最大、使用最頻繁的百米起跑點，也不會受釘鞋或起跑架破壞，是國際上公認的最佳全天候室外運動場地坪材料。但這種跑道帶來的環(huán)境問題也是不可忽視的，原料聚合過程中易混入毒性較強的甲醛、TDI等，塑料成型使用的固化劑含有對人體有害的重金屬，并且一個400 m長的標準田徑場地的塑膠跑道壽命為8～10年，之后產(chǎn)生的跑道垃圾為175 t [22]。因此，需要繼續(xù)對原料和施工方式做出改進，購買質(zhì)量合格的原料，培養(yǎng)技術(shù)過硬的質(zhì)檢人員。對產(chǎn)生的跑道垃圾也要盡可能回收利用，避免對環(huán)境造成不可逆的破環(huán)。隨著研究的深入，在解決成本和復(fù)雜的加工方式等問題的基礎(chǔ)上，可采用無毒無公害的硅PU材料和丙烯酸材料 [23]，或進一步研究合成可生物降解的塑膠材料。

（四）其他運動設(shè)施

郭華偉指出，近些年滑雪板不斷優(yōu)化升級，提升了減震性能和耐疲勞壽命，特別是由pu或者pvc材料制成的復(fù)合板有一定的彈性，并且伸屈性較強，能夠增強整體的滑板韌度，讓滑板具備一定的張力，適用于任何雪地場地，并且價格適中，性價比較高 [24]。溜冰鞋的輪子因為長期與地面摩擦而損耗較大，因此采用了高耐磨的聚氨酯材料。聚甲醛材料制作的滑雪杖在實現(xiàn)所需機械強度的同時降低了摩擦力，提升了運動員的滑雪速度 [9]。當今世界上最好的弓由碳纖維復(fù)合材料制成，其弓臂能承受50 kg/mm2的彎曲應(yīng)力，射出的箭可獲得最大初速度和最遠射程，對提升運動員成績有很大的幫助 [25]。

四、結(jié)語

綜上所述，復(fù)合材料較普通材料而言，性能更加優(yōu)越，不僅密度小、力學性能好、可設(shè)計性強，且綠色環(huán)保，符合我國可持續(xù)發(fā)展的理念。復(fù)合材料逐漸被大多運動愛好者所接受和喜愛，并逐漸應(yīng)用在體育器材的制造生產(chǎn)中。隨著合成與生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料將具有廣闊的市場前景。

現(xiàn)對該領(lǐng)域提出如下的研究展望：

（1）隨著水上項目的增多，水上運動設(shè)施的制造對新型復(fù)合材料的需求也越來越大，研究者可進一步探索碳纖維增強復(fù)合材料和生物基聚合纖維復(fù)合材料，其在水上用品領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。

（2）用于制造球類的復(fù)合材料除了需要具備耐磨損、耐沖擊、高強度的特點以外，還需要具備良好的減震吸能效果，以確保使用者的舒適度和安全，避免造成肌肉損傷等問題。

（3）揮發(fā)有毒氣體的塑膠跑道危害著人們的身體健康和環(huán)境，需要進一步對原料和施工方式做出改進，研發(fā)出低成本且可生物降解的塑膠材料，對解決大量跑道垃圾的問題大有好處。

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（責任編輯：鄒宇銘）

作者簡介：張育新（1978-），男，博士，重慶大學材料學院教授，研究方向：功能材料合成與應(yīng)用;張悅（1999-），女，本科在讀，重慶大學材料學院;向祖兵（1982-），男，博士，重慶大學體育學院講師，研究方向：休閑與社會體育。