高性能復(fù)合材料體育器材對競技體育發(fā)展影響分析

權(quán) 華

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710300)

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，群眾對體育器材、裝備的要求也越來越高，使用新型材料加工而成的體育裝備市場份額也不斷提升。不斷開發(fā)新型材料使之與體育器械、裝備的發(fā)展需求相匹配，已經(jīng)具備了充分的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。以高分子材料為代表的體育器材新型加工材料，具有典型的質(zhì)量輕、機(jī)械性能良好、耐腐蝕性強(qiáng)、設(shè)計(jì)自由度高、可以進(jìn)行復(fù)雜工藝的加工成型等特征，被西方發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用于各種類型體育器材的加工與設(shè)計(jì)領(lǐng)域。我國應(yīng)用新型材料進(jìn)行體育器材加工的時(shí)間較短，相關(guān)的研究也較為匱乏［1］。本文基于此背景，對體育裝備先進(jìn)材料的使用及其對競技體育發(fā)展的價(jià)值進(jìn)行了梳理，總結(jié)了不同運(yùn)動領(lǐng)域所使用的新型體育先進(jìn)材料類型與性能。

1 體育裝備材料發(fā)展歷程

進(jìn)入21 世紀(jì)后，各類型高新材料如鈦合金、鎂合金以及碳纖維復(fù)合材料等逐漸開始應(yīng)用于各體育器材、裝備。因具備優(yōu)良的力學(xué)特征，新型材料在機(jī)械性能、物理特征等方面表現(xiàn)異常良好。由于新型材料普遍具備高強(qiáng)度、重量輕、耐腐蝕、韌性好、易于加工成型等特征，顯著提升了體育裝備、器材等的綜合性能［2］。碳纖維復(fù)合材料、鎂基材料、石墨烯材料等逐漸被現(xiàn)代體育器材、裝備設(shè)計(jì)與加工領(lǐng)域認(rèn)可。以運(yùn)動場地建設(shè)領(lǐng)域?yàn)槔?，?dāng)前可用于鋪設(shè)運(yùn)動場地的硅橡膠材料已經(jīng)逐漸被開發(fā)出5000 多種，可以廣泛應(yīng)用于各類型跑道和運(yùn)動、訓(xùn)練場地的鋪設(shè)，其產(chǎn)量與鋪設(shè)面積均獲得飛速發(fā)展。

2 體育裝備先進(jìn)材料分類

2.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）材料力學(xué)性能極為優(yōu)異，相對密度約為一般鋼材材料的1/4；抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于一般鋼材，基本都在3500MPa 以上；抗拉彈性模量約為23000MPa ～43000MPa，同樣遠(yuǎn)高于一般鋼材材料；CFRP 比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）可高達(dá)2000MPa/(g/cm3)以上，遠(yuǎn)高于一般A3 鋼的59MPa/（g/cm3）［3］。碳基復(fù)合材料可被廣泛應(yīng)用于各類型球拍、自行車、F1 賽車、劃槳等運(yùn)動器材與裝備領(lǐng)域。一般碳纖維復(fù)合材料制備流程如圖1 所示。

圖1 不同碳纖維材料成型方法Fig. 1 Different carbon fiber material forming methods

2.2 石墨烯及其復(fù)合材料

石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來，由C 原子以sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料（圖2）。石墨烯材料是當(dāng)前自然界最薄的材料，僅有一層原子厚；同時(shí)也是強(qiáng)度最高的材料，其斷裂強(qiáng)度高于最佳鋼材材料的200 倍［4］。蒙釗等在氧化石墨烯纖維中添加一定量的酚醛樹脂，利用無定形碳化加工使新生成的無定形碳存在于石墨烯片層之間，從而彌補(bǔ)了纖維內(nèi)部的部分缺陷，保證了復(fù)合材料纖維的致密化［5］。利用該方法加工而成的石墨烯基碳纖維復(fù)合材料性能進(jìn)一步增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率分別可高達(dá)1.45 GPa、1.8 %，較一般純石墨烯材料提高了113 %和38 %；楊氏模量達(dá)到了120 GPa 以上［5］。氧化后的石墨烯復(fù)合材料可以被廣泛應(yīng)用于各類型體育器械如競速運(yùn)動頭盔、撐桿跳運(yùn)動中的撐桿、羽毛球網(wǎng)球運(yùn)動中的球拍等領(lǐng)域，能夠?yàn)槭褂萌藛T提供超高的防護(hù)性能、支撐性能，大大降低使用過程中人體的能量損耗。

圖2 石墨烯材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 2 Internal structure of graphene material

2.3 納米材料

納米材料（nanophase materials）是以尺寸小于100nm（0.1～100nm）為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)、具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維、三維超細(xì)顆粒構(gòu)成材料的總稱［6］。納米材料這一概念最早形成于20 世紀(jì)80 年代，由于納米材料具有優(yōu)良的表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)，因而具備了一般材料無法比擬的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能。在與體育器材加工領(lǐng)域接觸后，迅速被廣泛應(yīng)用于各類型球拍、新型競技服裝以及運(yùn)動損傷防護(hù)器材皮膚接觸面等領(lǐng)域。按照材料形態(tài)區(qū)分，幾種典型的納米材料及其特性如圖3 所示。

圖3 典型納米材料及其特性Fig. 3 Typical nanomaterials and their properties

2.4 其他材料

除以上材料外，在體育器材加工領(lǐng)域應(yīng)用較多的新型材料有紡織復(fù)合材料、生物工程塑料、牛頓流體材料等。其中紡織復(fù)合材料芳綸等除具有強(qiáng)度模量高、耐磨以及抗老化能力強(qiáng)外，還具有遠(yuǎn)高于一般織物的抗沖擊性能，在某些冰上運(yùn)動如滑冰、冰球運(yùn)動中，使用芳綸等加工而成的運(yùn)動員服裝具備防刺、防割等屬性，能夠有效防止運(yùn)動競技過程中發(fā)生意外風(fēng)險(xiǎn)。生物工程塑料具備優(yōu)良的力學(xué)性能和氧氣透過率，利用長纖維對生物工程塑料進(jìn)行改性之后，能夠被廣泛應(yīng)用于各類型防護(hù)用具、服飾、鞋襪等的加工當(dāng)中。利用生物工程塑料加工而成的體育器材，同時(shí)具備強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、韌性強(qiáng)等特點(diǎn)，全面提高了競技運(yùn)動員的運(yùn)動安全性，同時(shí)也能夠顯著提升運(yùn)動員競技水平。

3 先進(jìn)材料體育裝備對競技體育的影響

3.1 碳纖維材料對自行車運(yùn)動的影響

傳統(tǒng)競技自行車多使用鋁合金等材料加工而成，具有自重大、騎行輸出力小等劣勢，利用碳纖維等材料加工而成的競技賽車具有車架結(jié)構(gòu)易成型、輕量化、強(qiáng)度高等優(yōu)勢，能夠顯著降低運(yùn)動員競技過程中因自行車車重帶來的額外體力消耗，同時(shí)由于車身整體剛性高，利用碳纖維材料加工而成的零部件能夠顯著降低競技過程中因意外碰撞事故造成車身損壞進(jìn)而影響競技成績的現(xiàn)象。競技用自行車碳纖維零部件及主要性能優(yōu)化情況見表1。

1989 年，自行車運(yùn)動員葛賽格· 雷蒙斯利用碳基增強(qiáng)復(fù)合材料對原車把手進(jìn)行改裝，增加了一具備空氣動力學(xué)優(yōu)勢的墊充管，從而獲得了更小的空氣阻力，大幅提升了運(yùn)動競技成績［7］；梁利平等利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對車輪輻數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得了最低輻數(shù)為3 但是整體強(qiáng)度極高且自重大幅降低的新型自行車，有效提高了運(yùn)動員騎行輸出力［8］；孫晉媛利用新型材料對競技自行車的制動部進(jìn)行加工，替換掉傳統(tǒng)的金屬磨盤等部件，大幅提升了競技自行車的制動性能和耐磨性能［9］。1964年東京奧運(yùn)會室內(nèi)自行車400 米追逐賽中，Delas 使用5分5 秒完成比賽，此時(shí)所使用的自行車已經(jīng)是當(dāng)時(shí)各項(xiàng)科技最為先進(jìn)的金屬材質(zhì)競技自行車；而到了1992 年巴塞羅那奧運(yùn)會同樣的比賽項(xiàng)目中，博斯德曼使用全碳纖維材質(zhì)加工而成的新型自行車，僅用了3 分22 秒時(shí)間便完成了競技［10］。可見，先進(jìn)材料顯然能夠大幅提升自行車運(yùn)動員的競技水平。

3.2 石墨烯復(fù)合材料對拍、桿等類運(yùn)動的影響

石墨烯及其復(fù)合材料在球拍、球桿類運(yùn)動領(lǐng)域運(yùn)用主要集中在羽毛球球拍、網(wǎng)球球拍、高爾夫球桿、棒球、滑雪桿等領(lǐng)域。以網(wǎng)球拍為例。最初的網(wǎng)球拍由上好的橄欖木、楓木等材料加工而成，彼時(shí)的男性網(wǎng)球運(yùn)動員平均擊球速度最高不過120Kin 左右。隨著先進(jìn)材料在網(wǎng)球領(lǐng)域的不斷使用，一種由聚氨酯芯、84% 石墨、12%的純氧化鋁陶瓷、4% 的其他纖維材料加工而成網(wǎng)球拍問世［11］。該球拍中的石墨大幅提高了網(wǎng)球拍整體強(qiáng)度與輕度（僅310g 左右），可降低拍頭歪斜程度，進(jìn)而增加網(wǎng)球運(yùn)動中常見的“甜蜜點(diǎn)”現(xiàn)象發(fā)生幾率。同時(shí)該球拍大幅降低了擊球時(shí)的球拍震顫現(xiàn)象，降低對人體的沖擊。在使用該新型網(wǎng)球拍條件下，一般男性網(wǎng)球運(yùn)動員平均擊球速度可達(dá)160Kin，對人體沖擊力約等于瞬間舉起75公斤重物。

3.3 納米材料對運(yùn)動服飾的影響

使用納米材料加工而成的紡織品，不會對紡織物本身的透氣型和手感產(chǎn)生任何負(fù)面影響，因而被廣泛應(yīng)用于水上運(yùn)動、冰上運(yùn)動等的服飾加工領(lǐng)域。通過納米材料改性，原紡織面料能夠具備防水、透氣、保暖等多種特性。同時(shí)，由于不同納米材料具有不同的性能延展性，因而可以利用納米材料對某些傳統(tǒng)服飾易造成感染、霉變的部位如腋下、臀部、腰部等，使運(yùn)動衣或服飾在冬季能夠保暖、防水、耐洗滌，夏季能夠抗菌、防霉變、抵御病毒，進(jìn)而全面提升運(yùn)動員的運(yùn)動舒適性和安全性。

4 結(jié)語

體育器材、裝備的生產(chǎn)與加工，需要在充分考慮運(yùn)動人員受負(fù)荷身體關(guān)節(jié)、韌帶及組織物化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用力學(xué)、材料學(xué)以及機(jī)械原理對器材、裝備的結(jié)構(gòu)與加工材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇，從而充分保證體育裝備的舒適性和性能。本文對體育器材、裝備中先進(jìn)材料的性能和使用情況進(jìn)行全面梳理，旨在幫助材料及體育領(lǐng)域開發(fā)更多能夠提升運(yùn)動員競技水平和運(yùn)動舒適性的先進(jìn)材料。