纖維增強復(fù)合材料在運動器材中的應(yīng)用

孫延武

武威第二十三中學(xué)，甘肅 武威 733000

近些年，纖維增強復(fù)合材料得到快速發(fā)展，目前纖維增強復(fù)合材料已經(jīng)形成非常完整的產(chǎn)業(yè)體系，并且在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在全民健身背景之下，越來越多人走進各類運動場所放松身心，鍛煉身體，運動器材的供給成為非常關(guān)鍵的一環(huán)。纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用于運動器材，將發(fā)揮出很多獨到的優(yōu)勢。

1 纖維增強復(fù)合材料概述

1.1 纖維增強復(fù)合材料發(fā)展歷史

纖維增強復(fù)合材料，即FRP（Fiber Reinforced Polymer/Plastics）在20 世紀40 年代問世，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域，一直到現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域FRP 的應(yīng)用比例一直在上升，比如客機波音787、空客350，其使用的FRP 比重已經(jīng)超過50%。

隨著材料制備成本下降，F(xiàn)RP 逐步應(yīng)用于大眾生活，并且延伸出GFRP、CFRP 等，其中GFRP 主要用于景觀雕塑、座椅、垃圾桶等，CFRP 則主要用于游艇、汽車、自行車、體育休閑器具等。20 世紀60 年代，F(xiàn)RP 被應(yīng)用于民用建筑，但實際到20 世紀90 年代FRP 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的興起，工程界才開始逐步認可FRP。

1.2 纖維增強復(fù)合材料基本構(gòu)成

（1）FRP 劃分。FRP 的構(gòu)成包括增強相、基體相和界面相。其增強相為纖維材料，主要包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等?；w相則有樹脂基體、陶瓷基體、金屬基體等。界面相則是FRP 制造成型過程當(dāng)中所形成的纖維與基體之間所形成的過渡區(qū)域[1]，在一定程度上可以將FRP 的構(gòu)成劃分為兩個部分：纖維材料和基體材料。其中纖維材料承擔(dān)主要荷載，基體則將纖維黏在一起并且傳遞纖維間的荷載。

從纖維幾何形態(tài)的角度來講，F(xiàn)RP 可劃分為單向連續(xù)FRP、編織連續(xù)FRP 和隨機短切FRP。其中在纖維材料和基體材料基本相同的情況，單向連續(xù)FRP 的層內(nèi)性能更好，一般這類材料主要用在航空航天等高端裝備結(jié)構(gòu)當(dāng)中。該材料一般是將0.05 ～0.30mm 的單層板材按照不同的角度交錯疊加而成，形成復(fù)合層板，在具體工程中根據(jù)不同需求厚度最小可達1.00mm，也可達到幾十毫米，還可以將不同層合板通過裝配連接形成典型的復(fù)合結(jié)構(gòu)。從纖維材料的微米級別一直到工程中應(yīng)用的分米乃至米級尺度，可知FRP 及其結(jié)構(gòu)存在多尺度性。一般而言可將其劃分為微觀尺度、介觀尺度和宏觀尺度三種空間尺度。微觀尺度可以簡單理解為基本的纖維、基體和界面，介觀尺度則主要是單層板，宏觀尺度則是單層板堆疊而成的多向?qū)雍习濉?/p>

（2）FRP 典型代表?；谇拔膭澐?，目前市面上常見的FRP 主要有三種，即玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料和芳綸纖維增強復(fù)合材料。

其中，玻璃纖維增強復(fù)合材料，俗稱玻璃鋼，這種材料主要以合成樹脂為基體，玻璃纖維及其制品作為增強材料。根據(jù)基體材料的不同又可劃分不同玻璃鋼。玻璃纖維可以通過回收的廢舊玻璃作為原料，經(jīng)高溫融化、拉絲、織布等工藝制造。硬而脆的玻璃經(jīng)過加工后成為玻璃纖維，具有非常高的強度，高柔韌性、抗腐蝕性好，對拉應(yīng)力的承載效果好，質(zhì)量輕，強度高（超過普通鋼材），絕緣性好，線膨脹系數(shù)低，可耐3800℃瞬時高溫，疲勞性好，但是只能承載拉應(yīng)力，不能承受壓應(yīng)力、抗剪性差。其在建筑、公共、電子通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

碳纖維增強復(fù)合材料具備低密度、高強度、高模量、耐高溫等特性。其纖維材料是由有機纖維或低分子烴氣體加熱到1500℃而形成的纖維狀碳，碳含量90%以上。一般碳纖維以拉伸強度作為衡量品質(zhì)的指標(biāo)，例如T300，抗拉強度為3.5GPa，屬于中低端品質(zhì)。為了方便理解可對比鋼材，例如普通鋼材的抗拉強度僅幾百MPa，高于500MPa 的鋼材就是高強度鋼。碳纖維增強復(fù)合材料用碳纖維或碳纖維織物作為纖維材料，以樹脂、陶瓷等作為基體。常見的是碳纖維+熱固性樹脂，強度好、輕量化，在航空航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

芳綸纖維增強復(fù)合材料與玻璃鋼相似，也用樹脂作基體材料，具備高比強度、高比模量、低密度、抗沖擊好、耐疲勞等優(yōu)點，其纖維材料為芳香族聚酰胺纖維，具備高強度、高模量、抗磨和低密度的特點，是一種有機合成材料，可分為對位芳綸、間位芳綸、雜環(huán)芳綸。

（3）纖維增強復(fù)合材料失效機理?；谇拔膶RP 空間尺度上的簡要分析，其失效機理在不同的空間尺度下存在不同描述。微觀尺度之下，基于不同應(yīng)力狀態(tài)的典型失效機理包括纖維破壞、纖維—界面—基體脫粘，基體黏塑性變形或者開裂，在微觀尺度上，失效主要表現(xiàn)為更小尺度的裂紋萌生和擴張，由于尺度更小，很難進行物理觀測。

微觀尺度上產(chǎn)生的失效現(xiàn)象進行組合和匯聚形成介觀尺度下的失效，介觀尺度以單層板為基本單元，其失效機理表現(xiàn)為由纖維主導(dǎo)的縱向拉伸或壓縮失效，由基體主導(dǎo)的橫向拉伸、剪切以及縱向剪切失效，相鄰異向堆疊單層板層間失效。當(dāng)介觀尺度下的失效積累，結(jié)構(gòu)中便會出現(xiàn)非常明顯的宏觀裂紋，此時肉眼都能觀察到，當(dāng)荷載持續(xù)增加，裂紋出現(xiàn)非穩(wěn)定擴展時，宏觀尺度下的結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)災(zāi)難性的破壞。

2 纖維增強復(fù)合材料在運動器材中的應(yīng)用

加強體育運動鍛煉顯然具有重要價值意義，而運動器材是絕大部分體育運動不可或缺的要素。運動器材不僅是某些體育運動的載體，也是運動的輔助工具。體育運動并不能盲目參與，否則將可能對身體造成損傷[2]。因此當(dāng)代體育運動必須講究科學(xué)運動，同時要講究運動器材的選擇。運動器材種類繁多，使用纖維增強復(fù)合材料的運動器材也有很多種，在文中羅列幾種進行簡要分析。

2.1 纖維增強復(fù)合材料運動器材的結(jié)構(gòu)

纖維增強復(fù)合材料運動器材，根據(jù)不同用途，在結(jié)構(gòu)形式上也有很大的差異。比如乒乓球拍、滑雪板、沖浪板等，這些運動器材主要是板式結(jié)構(gòu)。如網(wǎng)球拍、羽毛球拍、釣魚竿、高爾夫球桿、冰球棒等器材其主體結(jié)構(gòu)也是用纖維增強復(fù)合材料制成，主要呈現(xiàn)為管狀結(jié)構(gòu)。又如各類防護頭盔，各種賽艇船體結(jié)構(gòu)等則主要是薄片結(jié)構(gòu)。還有一些特殊用途的器材，比如比賽用車輛的車體、武術(shù)運動用的刀劍類道具、登山用繩索等。

2.2 纖維增強復(fù)合材料運動器材產(chǎn)品

以滑雪運動的重要裝備——滑雪板為例，滑雪板關(guān)系運動員滑雪運動的安全和成績，傳統(tǒng)的滑雪板通常是由木板制成，雖然成本低廉，但由于木材的特殊性質(zhì)，容易受潮變形甚至失效。還有些滑雪板由鋁合金制造而成，一般價格都很高，而且對雪地要求高，適應(yīng)性很差。隨著FRP的發(fā)展，用FRP 制造滑雪板適應(yīng)性非常強，維護方便，而且性能好。目前市場上質(zhì)量好、性能優(yōu)異的滑雪板產(chǎn)品基本都采用了夾心結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)實際就是纖維材料+基體材料，可用碳纖維或玻璃纖維+木板、PVC 等。作為基體材料的PVC 或木板可滿足一定彈性要求，纖維材料若是碳纖維可增強滑雪板屈伸度，若是玻璃纖維則可以使夾心結(jié)構(gòu)連接更加緊密，增加其韌性。

又如高爾夫球桿，在20 世紀70 年代高爾夫球桿就開始用碳纖維增強復(fù)合材料制作。傳統(tǒng)的高爾夫球桿用長絲纏繞法制作球桿，但是與碳纖維復(fù)合材料球桿相比，無論是對高爾夫球的適應(yīng)性還是本身的重量、負荷等方面都有所不如。目前中高端高爾夫球桿基本都是纖維增強復(fù)合材料制作而成。碳纖維增強復(fù)合材料制作的球桿具備密度小、高強度、高彈性、耐沖擊等特性，對運動員的發(fā)揮也有非常大的幫助。類似的器材如羽毛球拍、魚竿等都是如此。如魚竿，現(xiàn)在市面上無論是競技釣還是野釣，碳素桿都是主流，這種魚竿就是由碳纖維增強復(fù)合材料制作而成[3]。

再如自行車，國內(nèi)早期的自行車重量非常大，車架基本都是高碳鋼。20 世紀七八十年代，滿大街都是鳳凰、永久等品牌自行車，這些自行車在當(dāng)時如同現(xiàn)在滿大街的奔馳、寶馬，可惜的是進入21 世紀以來，國內(nèi)的自行車市場便被國外品牌所逐步蠶食。國內(nèi)自行車市場實際上是非常龐大的，無論是學(xué)生、上班族還是老年人都能用自行車鍛煉身體，方便出行，但是由于材質(zhì)、款式上的落后，直接導(dǎo)致國內(nèi)自行車火爆短短一段時間便在與國外品牌的競爭中失敗。材質(zhì)方面，很多高端產(chǎn)品的核心零部件需要進口。20 世紀80 年代，國外一些國家便成功研制出碳纖維自行車，車架重量采用碳纖維材料，重量輕，強度、剛度都非常理想，相比高碳鋼車身如同云泥之別。當(dāng)然全FRP 材料制造的自行車一般都是比賽用車，著名自行車公路賽車手烏爾里希的比賽用車就是FRP 制造的車型，整車重量僅7.5kg。

3 結(jié)束語

纖維增強復(fù)合材料由于其特性在運動器材上得到了非常廣泛的應(yīng)用。將其用在運動器材上具備非常顯著的優(yōu)勢，F(xiàn)RP 質(zhì)量輕，很多運動器材需要人力操作，比如羽毛球、乒乓球等運動，需要球拍越輕越好，但需要保證優(yōu)秀的力學(xué)性能，F(xiàn)RP 同樣具備顯著的力學(xué)性能。同時FRP 成型技術(shù)使得運動器材設(shè)計自由度非常高，只要設(shè)計出來就能用FRP制造出來。在當(dāng)前發(fā)展體育事業(yè)的背景之下，將FRP 應(yīng)用于運動器材，將顯著促進體育用品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。