新型高性能纖維材料在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中的影響研究

張 峰

(陜西中醫(yī)藥大學(xué),陜西咸陽(yáng) 712046)

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)是較早接觸高性能纖維復(fù)合材料的體育競(jìng)技品類之一。1953 年英國(guó)鄧祿普公司首次嘗試將硫化纖維加強(qiáng)片應(yīng)用于網(wǎng)球球拍的肩部位置,是網(wǎng)球球拍加工領(lǐng)域?qū)?fù)合材料使用的首次探索；1969 年美國(guó)某公司開始嘗試?yán)貌ＡЮw維作為球拍的拍框、拍柄等的主要使用材料；1975 年,第一支完全由玻璃纖維復(fù)合材料加工制備而成的網(wǎng)球球拍問(wèn)世,該球拍機(jī)械強(qiáng)度高于木材、阻尼性能比金屬拍好；20 世紀(jì)80 年代后期,碳纖維復(fù)合材料開始逐漸應(yīng)用于網(wǎng)球球拍加工領(lǐng)域,隨著其與金屬鈦材料的結(jié)合,碳纖維復(fù)合材料逐漸成為高端網(wǎng)球拍制備領(lǐng)域的最優(yōu)選擇[1]。本文以碳纖維、芳綸纖維等新型高性能纖維材料為例,對(duì)材料在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用、性能優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行綜述,旨在為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)與新型材料加工制備工藝、方向等提供借鑒。

1 新型高性能纖維材料分類

新型高性能纖維及復(fù)合材料通常指的是某類具備特殊物化結(jié)構(gòu)、性能遠(yuǎn)超一般材料以及具備多用途等優(yōu)勢(shì)的纖維材料及其與樹脂進(jìn)行加工所得的復(fù)合材料[2]。新型高性能纖維及復(fù)合材料通常在斷裂伸長(zhǎng)率、耐腐蝕性、材料成型強(qiáng)度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),同時(shí)又兼具質(zhì)量輕、易加工成型等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、民用等多種領(lǐng)域。高性能纖維材料基本分類情況如圖1 所示。本文著重針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)球領(lǐng)域應(yīng)用較多、發(fā)展?jié)摿^大的新型高性能纖維材料進(jìn)行分析。

圖1 高性能纖維材料基本分類Fig.1 Basic classification of high-performance fiber materials

2 高性能纖維材料網(wǎng)球領(lǐng)域性能優(yōu)勢(shì)

2.1 碳纖維

碳纖維材料是一種在2000～3000 ℃高溫環(huán)境下對(duì)部分有機(jī)纖維進(jìn)行碳化反應(yīng),最終在惰性氣體環(huán)境下實(shí)現(xiàn)基體碳化而形成的纖維狀材料[3]。一般碳纖維材料無(wú)法直接應(yīng)用于某些領(lǐng)域,通常均需要進(jìn)行復(fù)合加工后才能使用。碳纖維復(fù)合材料則是以碳纖維為增強(qiáng)材料,以環(huán)氧樹脂、金屬、陶瓷等為基體,通過(guò)兩種材料進(jìn)行加工得到的復(fù)合材料。其中,碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、易成型、耐久性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域得到廣泛使用。網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料多集中在網(wǎng)球拍制備、網(wǎng)球鞋碳板等領(lǐng)域。其中,碳纖維網(wǎng)球拍是當(dāng)前所有種類網(wǎng)球拍中性能最為優(yōu)異的一種。

2.2 芳綸纖維

芳綸纖維誕生于20 世紀(jì)60 年代,是一種芳香族聚酰胺纖維。芳綸纖維最早屬于冷戰(zhàn)軍備競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中的重要航天材料和戰(zhàn)略物資,之后芳綸逐漸用于民生領(lǐng)域,延伸出多種不同性能和種類的芳綸纖維,如對(duì)位芳綸、間位芳綸、含甲基取代基等間位共聚芳綸以及對(duì)位共聚芳綸等[4]。其中,間位芳綸纖維及其復(fù)合材料屬于新型高性能復(fù)合纖維材料領(lǐng)域中最耐高溫的材料之一,能夠保持200℃左右仍不出現(xiàn)老化；對(duì)位芳綸纖維及其復(fù)合材料則屬于高模量、高強(qiáng)度材料,具有遠(yuǎn)高于一般纖維材料的比強(qiáng)度、比模量等,對(duì)位芳綸纖維及其復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度是同截面玻璃纖維和高強(qiáng)尼龍工業(yè)絲的2～3 倍。芳綸材料在網(wǎng)球領(lǐng)域的應(yīng)用多集中在運(yùn)動(dòng)防護(hù)裝備、運(yùn)動(dòng)鞋底加工、網(wǎng)球拍穿線以及與碳纖維復(fù)合加工球拍等領(lǐng)域。

2.3 高性能聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維又稱高性能聚乙烯纖維、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維,是一種由分子量最高可達(dá)500 萬(wàn)的聚乙烯所紡出的纖維,是當(dāng)前高性能纖維領(lǐng)域比強(qiáng)度和比模量最高的纖維種類之一[5]。高性能聚乙烯纖維具備的性能優(yōu)勢(shì)主要包括:①高比強(qiáng)度、高比模量,其比強(qiáng)度(2.8～4 N/tex)是同等截面鋼絲的10 倍,比模量(91～140 N/tex)僅次于特級(jí)碳纖維。②纖維密度較低,約為0.97～0.98g/cm3,遠(yuǎn)低于一般金屬材料且可浮于水面。③斷裂伸長(zhǎng)率高,能夠具備較高的抗外力沖擊能力和抗切割性能。高性能聚乙烯纖維工藝復(fù)雜、價(jià)格較高,當(dāng)前在網(wǎng)球領(lǐng)域的應(yīng)用多集中在網(wǎng)球拍、防護(hù)用具等領(lǐng)域。

2.4 聚醚醚酮纖維

聚醚醚酮纖維又稱PEEK 纖維,是一種由聚醚醚酮樹脂在高溫熔融狀態(tài)下,通過(guò)紡絲制得的一種全芳香族纖維。由于聚醚醚酮纖維中兼具醚鍵和酮鍵,因而材料具備了優(yōu)異的耐高溫、耐摩擦、耐化學(xué)腐蝕等性能,其UL 溫度指數(shù)最高可達(dá)250℃,通過(guò)纖維增強(qiáng)后的聚醚醚酮纖維材料強(qiáng)度最高可達(dá)210MPa。同時(shí)聚醚醚酮纖維材料還具備優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、模量、伸長(zhǎng)率等。利用聚醚醚酮纖維加工而成的網(wǎng)球拍線具有超耐磨、高彈性等優(yōu)勢(shì)。

2.5 粘膠纖維

粘膠纖維是粘纖的全稱,是一種以植物中提取的植物纖維素為原材料,通過(guò)材料的堿化重塑纖維分子再與二硫化碳進(jìn)行反應(yīng)后溶解于稀堿液得到的一種粘膠纖維[6]。體育領(lǐng)域最廣為人知的粘膠纖維是美德兩國(guó)廠家共同開發(fā)的outlast 纖維,該纖維也被成為“智能空調(diào)”纖維。網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)利用outlast 纖維最多的領(lǐng)域集中在網(wǎng)球球服制造環(huán)節(jié)。利用outlast 纖維制備的網(wǎng)球服,能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供上萬(wàn)個(gè)具備能量轉(zhuǎn)換功能的相變材料模塊,在運(yùn)動(dòng)員大量出汗?fàn)顟B(tài)下,衣物中的outlast 纖維能夠通過(guò)不斷地吸收和釋放能量來(lái)調(diào)節(jié)溫度,進(jìn)而達(dá)到減少運(yùn)動(dòng)員過(guò)熱、流汗現(xiàn)象的目的。

3 復(fù)合纖維高性能材料對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)影響分析——以碳纖維球拍為例

3.1 功能與結(jié)構(gòu)影響

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的普及以及運(yùn)動(dòng)水平的普遍提升,使專業(yè)及業(yè)余領(lǐng)域網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)參與人員對(duì)球拍性能的要求越來(lái)越高。在職業(yè)網(wǎng)球領(lǐng)域進(jìn)行球拍設(shè)計(jì)時(shí),必須充分考慮職業(yè)選手對(duì)球拍“甜區(qū)”的需求,男子網(wǎng)球選手超高的力量、超高的操控性能要求,女子職業(yè)網(wǎng)球選手更舒適的擊球感覺(jué)、更輕便的質(zhì)量需求等；網(wǎng)球愛(ài)好者領(lǐng)域則多需要考量球拍的抗扭穩(wěn)定性、價(jià)格、耐用性等。復(fù)合材料的出現(xiàn)和性能優(yōu)化,為網(wǎng)球球拍的功能設(shè)計(jì)提供了豐富的可選擇性。碳纖維、芳綸等復(fù)合材料具備優(yōu)異的加工工藝、較低的密度、極高的比強(qiáng)度比模量等,可以利用復(fù)合材料加工制備出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、單位體積重量更輕、阻尼性能更強(qiáng)、擊球手感更好的網(wǎng)球拍。這是傳統(tǒng)木質(zhì)材料或金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[7]。因此,隨著復(fù)合材料在網(wǎng)球球拍領(lǐng)域應(yīng)用逐漸成熟,復(fù)合球拍的硬度、強(qiáng)度逐漸提高,由此帶動(dòng)了球拍拍弦的磅數(shù)的提升,當(dāng)前很多職業(yè)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員已經(jīng)將球拍拍弦磅數(shù)增加到了70磅左右,擊球球速得到了極大提升。在2011 年克羅地亞與德國(guó)隊(duì)的戴維斯杯一場(chǎng)雙打比賽中,卡洛維奇在第四盤的一記發(fā)球達(dá)到251km/h,打破了美國(guó)人安迪·羅迪克249km/h的前紀(jì)錄。

從結(jié)構(gòu)角度分析,碳纖維等材料的易加工成型性能也能夠幫助設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的球拍結(jié)構(gòu),更好地提升球拍外觀多樣性[8]。以碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)球球拍為例。碳纖維網(wǎng)球球拍加工工藝的首個(gè)流程是制作網(wǎng)球球拍專用碳纖維預(yù)浸布。該專用碳纖維預(yù)浸布通常根據(jù)不同的產(chǎn)品型號(hào)和生產(chǎn)成本規(guī)劃碳纖維與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量占比。通常性能較好的碳纖維網(wǎng)球球拍碳纖維含量應(yīng)超過(guò)60%,環(huán)氧樹脂含量應(yīng)不高于40%。但不論何種比例的碳纖維預(yù)浸布,在進(jìn)行半硬化加工時(shí),均可以通過(guò)模具進(jìn)行模壓成型,然后按照實(shí)際的球拍尺寸、設(shè)計(jì)需求進(jìn)行裁剪后排迭。從球拍材料制備和定型角度分析均更為靈活,只要模具設(shè)計(jì)合理,理論上能夠能夠生產(chǎn)制備各種外觀和構(gòu)造的網(wǎng)球球拍。網(wǎng)球球拍的拍喉是最能體現(xiàn)復(fù)合材料這一優(yōu)勢(shì)的區(qū)域,如圖2 所示為某幾種不同品牌/ 型號(hào)碳纖維網(wǎng)球球拍拍喉對(duì)比示意圖。這種靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在木質(zhì)材料中絕對(duì)無(wú)法實(shí)現(xiàn),即便金屬材料其實(shí)現(xiàn)成本與加工難度也較高。

圖2 不同品牌/型號(hào)碳纖維網(wǎng)球球拍拍喉對(duì)比Fig.2 Comparison of different brands/models of carbon fiber tennis balls

3.2 制備工藝影響

復(fù)合材料良好的可加工性能,使碳纖維網(wǎng)球球拍的加工成型工藝得到了較大的擴(kuò)充,結(jié)合碳纖維復(fù)合材料不同的成型工藝(圖3),能夠?qū)⒉煌Y(jié)構(gòu)、不同型號(hào)以及不同生產(chǎn)成本的碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)球球拍生產(chǎn)工藝進(jìn)行更加合理的規(guī)劃和選擇。

圖3 碳纖維復(fù)合材料不同成型工藝Fig.3 Different forming processes of carbon fiber composite

當(dāng)前碳纖維網(wǎng)球拍加工領(lǐng)域利用較多的材料成型工藝為手糊成型工藝以及模壓成型工藝[9]。充分利用模具生產(chǎn)靈活性,在制備碳纖維網(wǎng)球拍時(shí),根據(jù)不同的產(chǎn)品型號(hào)生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的模具,將復(fù)合材料分別放入半個(gè)模具中,在高溫環(huán)境下通過(guò)熱處理使兩個(gè)模具中的碳纖維材料定型。碳纖維手糊成型工藝能夠?qū)⑻祭w維進(jìn)行不同層數(shù)、不同纖維角度加工。由于碳纖維纖維方向不同,能夠獲得不同力學(xué)強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料,因而最終能夠獲得力學(xué)性能、剛性以及彈性等均不同的碳纖維網(wǎng)球球拍。

3.3 市場(chǎng)與經(jīng)濟(jì)影響

碳纖維材料具有顯著的性能優(yōu)勢(shì),能夠大幅提升網(wǎng)球球拍綜合性能。然而需要注意的是,盡管碳纖維材料本身并沒(méi)有明顯性能缺陷,但利用碳纖維材料進(jìn)行網(wǎng)球球拍制備過(guò)程中的加工成型工藝較為復(fù)雜,良品率較低。因而碳纖維網(wǎng)球球拍加工生產(chǎn)效率并不高。而這也是導(dǎo)致碳纖維網(wǎng)球球拍價(jià)格居高不下的主要原因之一。同時(shí),盡管利用碳纖維復(fù)合材料加工而成的球拍具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),使碳纖維網(wǎng)球球拍使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般金屬或木質(zhì)球拍。但由此帶來(lái)的“一只球拍用十年”等問(wèn)題,又反而影響了碳纖維網(wǎng)球球拍的產(chǎn)品銷售,不利于碳纖維網(wǎng)球球拍產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,在對(duì)市場(chǎng)與經(jīng)濟(jì)的影響方面,碳纖維材料對(duì)于網(wǎng)球球拍制造廠商而言是把“雙刃劍”。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)新型高性能材料在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用和影響進(jìn)行綜述,詳細(xì)分析了碳纖維復(fù)合材料對(duì)網(wǎng)球球拍功能與結(jié)構(gòu)、制備工藝以及市場(chǎng)與經(jīng)濟(jì)等的影響。隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)普及程度的逐漸提升,參與者對(duì)球拍、球鞋等網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)裝備的性能需求越來(lái)越高。本文所作研究旨在為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)發(fā)展以及網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)設(shè)備加工制備領(lǐng)域提供理論借鑒。