碳纖維增強(qiáng)塑料在體育運(yùn)動(dòng)器材中應(yīng)用研究

劉利鋒

( 西安培華學(xué)院，陜西西安710000)

近年來，隨著人們生活水平的逐漸提高，全民健康意識(shí)也在不斷增強(qiáng)，并且，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平和科技實(shí)力的進(jìn)步，我國的體育事業(yè)也在快速地發(fā)展。在人們的休閑娛樂中，越來越多的人開始通過各種各樣的活動(dòng)參與到運(yùn)動(dòng)中去［1］。在此過程中，不可避免的需要使用各種所需的體育器材。由于大多數(shù)的體育運(yùn)動(dòng)器材以塑料或金屬材料為主，普遍存在著強(qiáng)度低、質(zhì)量大、耐磨性能以及抗腐蝕能力差以及安全性能不高等問題，因此，制備力學(xué)性能良好、輕便而且安全的新型體育運(yùn)動(dòng)器材并逐漸推廣至大眾的視野將對(duì)體育事業(yè)的發(fā)展帶來巨大的推動(dòng)作用［2-3］。目前，應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)器材的新型材料主要有碳材料［4-6］（碳纖維、活性碳纖維、氣相生長碳纖維、金剛石薄膜、石墨層間化合物、碳微球等）、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（碳纖維、活性碳纖維、氣相生長碳纖維、尼龍纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、硼纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維等）［7-10］、新型合金材料（鎂合金、鋁合金和鈦合金等）以及其他的新型復(fù)合材料（生物工程塑料、紡織復(fù)合材料、納米材料等）［11-15］。其中，碳纖維增強(qiáng)塑料在體育運(yùn)動(dòng)器材的設(shè)計(jì)和制備中具有廣泛的應(yīng)用，本文將對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料在體育運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用展開論述。

1 碳纖維增強(qiáng)塑料概述

碳纖維增強(qiáng)塑料屬于碳纖維與各種樹脂通過各種工藝復(fù)合而成的復(fù)合材料，其中，碳纖維是以粘膠絲、聚丙烯腈纖維和瀝青絲等為原料在1000～3000 ℃條件下經(jīng)過碳化而成。并且分為高強(qiáng)型和高模量型兩種。碳纖維的直徑約為7μm，進(jìn)行表面處理后可與樹脂材料進(jìn)行復(fù)合從而有效提高塑料的力學(xué)性能和物理性能，其制備流程如圖1 所示。

圖1 碳纖維增強(qiáng)塑料制備流程圖Fig. 1 The preparation flow chart of carbon fiber reinforced plastics

1.1 碳纖維增強(qiáng)塑料分類

碳纖維增強(qiáng)塑料分為熱塑性和熱固性兩種，因樹脂基底不同，其反應(yīng)類型和材料性能存在著較大的差異。熱塑性碳纖維增強(qiáng)塑料在加工過程中屬于結(jié)晶和玻璃化轉(zhuǎn)變，而熱固性碳纖維增強(qiáng)塑料在加工過程中發(fā)生的是交聯(lián)和固化反應(yīng)。由碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料制作的物件具有密度小、力學(xué)性能優(yōu)異、可回收重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，在軍工、機(jī)械、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料制備的物件同樣具有較優(yōu)異的力學(xué)性能，耐腐蝕、耐熱抗寒，而且成型工藝技術(shù)已成熟。目前，碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料原料主要有熱塑性聚酰亞胺、聚苯硫醚和聚醚醚酮等；碳纖維增強(qiáng)熱固性塑料原料主要有環(huán)氧樹脂、熱固性聚酰亞胺樹脂、雙馬來聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂以及不飽和聚酯等。

1.2 碳纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的體育運(yùn)動(dòng)器材所使用的的材料一般為金屬、塑料、木材等。由于各種環(huán)境因素的影響，不可避免的會(huì)造成器材的老化、腐蝕與損壞。相對(duì)于碳纖維增強(qiáng)塑料所制備的體育運(yùn)動(dòng)器材來說，由于諸多優(yōu)點(diǎn)，正逐步推廣至大眾的視野并受到越來越多的人的青睞［10,16-19］。其具體的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要有：

（1）質(zhì)量輕

在體育鍛煉或者比賽中，諸如球拍類、桿和棒類以及板類等運(yùn)動(dòng)器材的質(zhì)量越是輕便，越會(huì)受到廣泛的青睞。使用質(zhì)量較輕的體育器材，在鍛煉或比賽過程中，不僅可以提高器材的操作性能，也有利于使用者的發(fā)揮。對(duì)于賽車和帆船等這些借助大量動(dòng)力的的競(jìng)技類器材來說，質(zhì)量輕便，可減少使用過程中的阻力，也可節(jié)約運(yùn)動(dòng)員的能耗，從而提高使用效率。因此，使用質(zhì)量輕便的碳纖維增強(qiáng)塑料制備的運(yùn)動(dòng)體育器材具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

（2）力學(xué)性能優(yōu)異

碳纖維具有直徑小、密度小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、模量和強(qiáng)度高的特點(diǎn)，據(jù)報(bào)道，由環(huán)氧樹脂所制備的碳纖維增強(qiáng)塑料耐疲勞特性比金屬材料以及木材等要高數(shù)倍，非常適宜用于體育運(yùn)動(dòng)器材的制備。

（3）耐腐蝕、抗寒耐高溫

由于碳纖維增強(qiáng)塑料的原料為碳纖維和樹脂，在酸堿鹽的各種環(huán)境下均不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能；并且碳纖維增強(qiáng)塑料可在-50～180 ℃的溫度范圍內(nèi)使用，熱膨脹系數(shù)近乎為“0”，具有較好的抗寒耐高溫性能。

（4）安全、環(huán)保

碳纖維增強(qiáng)塑料所制備的體育運(yùn)動(dòng)器材，由于碳纖維的作用，基體不易發(fā)生變形和破損，即使有破損的地方，也不會(huì)繼續(xù)發(fā)生大面積的連鎖反應(yīng)，具有良好的破損安全性能。碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料由于其可塑性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以回收進(jìn)行二次加工使用。

2 碳纖維增強(qiáng)塑料在體育運(yùn)動(dòng)器材上的運(yùn)用

目前，體育運(yùn)動(dòng)器材的制備材料層出不窮，但其品質(zhì)總是參差不齊。在體育運(yùn)動(dòng)中，器材的質(zhì)量往往影響著使用者的發(fā)揮水平和實(shí)力，因此良好的觸感和穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于碳纖維增強(qiáng)塑料具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能優(yōu)異、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，在目前的體育運(yùn)動(dòng)器材的制備中已較為普遍。其類型主要分為：板類、球類、球拍類、桿類和棒類以及其他［15-22］（見表1）。

表1 碳纖維增強(qiáng)塑料在體育運(yùn)動(dòng)器材中應(yīng)用實(shí)例Table 1 Examples of application of carbon fiber reinforced plastics in sports equipment

2.1 板類

板類體育運(yùn)動(dòng)器材主要包括滑雪板、沖浪板、滑翔機(jī)翼板、帆船板等。在板類體育運(yùn)動(dòng)器材使用過程中，如滑雪板和沖浪板，不僅需要承受使用者的的身體重量，還會(huì)在運(yùn)動(dòng)中與地面或水面有長時(shí)間的接觸。因此，這就要求這些板類體育運(yùn)動(dòng)器材材料具有輕巧的特性，而且需要有較高的減震性能、穩(wěn)定性能以及良好的耐摩擦性能。碳纖維增強(qiáng)塑料中的芳綸纖維增強(qiáng)塑料所制成的具有夾心結(jié)構(gòu)的板材，具有良好的穩(wěn)定性和耐摩擦性等優(yōu)勢(shì)，充分滿足其特性要求。對(duì)于滑翔機(jī)翼板、帆船板等這些用于比賽項(xiàng)目的器材來說，質(zhì)輕、穩(wěn)定性好的特性有助于運(yùn)動(dòng)員獲得更好的成績(jī)。因此，目前采用模壓成型的工藝可將密度低、穩(wěn)定性良好的碳纖維增強(qiáng)塑料用于制作滑翔機(jī)翼板、帆船板等，具有廣泛的前景［2］。

2.2 球和球拍類

眾所周知，我國正在大力發(fā)展體育事業(yè)。目前，球類和球拍類的市場(chǎng)可以說非常的巨大。而在球類的框架制作中，由于碳纖維增強(qiáng)塑料具有良好的阻尼性和減震性能，可以大大地提高其舒適性并降低變形比例，非常適用于球類的框架制作。而對(duì)于羽毛球拍和網(wǎng)球拍來說，在使用過程中，面對(duì)高速球體的沖擊，其受力情況相當(dāng)復(fù)雜，這就要求框架的制作材料具有良好的綜合性能。并且，為了使用者操作方便，質(zhì)量輕且強(qiáng)度高的材質(zhì)更加適用于球拍的制作。碳纖維增強(qiáng)塑料所制備的球拍，通過不同的工藝和設(shè)計(jì)不僅可以提高材質(zhì)的扭曲剛性和強(qiáng)度，還可以使球拍框具有高比強(qiáng)和高比模的性能，在使用過程中保持良好的減震性能而不易變形，并具有良好的方向性。因此，近年來，國內(nèi)外市場(chǎng)中所銷售的高檔球拍制作材料大多為碳纖維增強(qiáng)塑料所制備。

2.3 桿和棒類

早在1972 年，高爾夫球桿的制作首次使用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)塑料所制作的高爾夫球桿，相比于傳統(tǒng)的柿木棒頭，具有更好的耐沖擊性能，并且具有彈性好、強(qiáng)度高、密度小的特點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，目前所使用的性能較好的高爾夫球桿和壘球棒所使用的材料大多是碳纖維增強(qiáng)塑料。此外，諸如撐桿、釣魚竿等桿類在制作時(shí)，要求材料具有較大的彈性、質(zhì)輕以及較高的拉伸強(qiáng)度，因此，含碳量為30%～90% 的碳纖維增強(qiáng)塑料可作為最佳的制備材料。

2.4 其他

由于碳纖維增強(qiáng)塑料在多方面都具有優(yōu)異的性能，因此，在體育運(yùn)動(dòng)器材方面的應(yīng)用層出不窮。近年來，在弓箭、自行車、登山繩索、溜冰鞋輪子、滑梯、頭盔等的制備中都有廣泛的應(yīng)用。相信在未來的發(fā)展中，將會(huì)有更多的體育器材產(chǎn)品來滿足運(yùn)動(dòng)者的需求。

3 結(jié)語

由于我國人口眾多，并且隨著全民健康意識(shí)的逐漸提高，每年體育運(yùn)動(dòng)器材的需求量不僅越來越大，對(duì)其性能的要求也在逐漸提高。由于碳纖維增強(qiáng)塑料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐磨損、阻尼性能好、耐腐蝕、抗寒耐高溫、價(jià)格低且環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能優(yōu)異的增強(qiáng)塑料。并且，可根據(jù)不同的體育運(yùn)動(dòng)器材形狀和性能要求，對(duì)纖維與塑料的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)并可選擇合適的成型工藝增強(qiáng)器材的性能，因此，纖維增強(qiáng)塑料在體育運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域?qū)?huì)具有廣泛的應(yīng)用。