高分子材料力學(xué)性能對現(xiàn)代田徑運(yùn)動器械的影響研究

王 劍，汪 超

（1 榆林師范學(xué)校，陜西榆林 719000；2 榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西榆林 719000）

田徑運(yùn)動是一種由徑賽、田賽和全能比賽組成的運(yùn)動體系統(tǒng)稱。田徑運(yùn)動包含了大量的走、跑、跳等運(yùn)動形態(tài)，是一項有益身心健康且開展難度較低的運(yùn)動模式。隨著現(xiàn)代田徑運(yùn)動的飛速發(fā)展以及群眾生活水平的不斷提升，越來越多高新材料不斷與田徑運(yùn)動器械制備領(lǐng)域相結(jié)合，以高分子復(fù)合材料為代表的高力學(xué)性能材料正逐漸開始取代傳統(tǒng)的木材、金屬及其合金材料，成為田徑運(yùn)動器械加工與制備領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分［1-3］。然而，并不是所有田徑項目中所使用的運(yùn)動器械都可以用高分子復(fù)合材料代替，鉛球、鐵餅等對器材自身重量有標(biāo)準(zhǔn)化要求的田徑運(yùn)動器械并不可以使用高分子材料代替，高分子材料在田徑運(yùn)動中多見于各類型跑鞋、撐桿跳桿、新型運(yùn)動場地等領(lǐng)域。得益于自身優(yōu)越的綜合性能，高分子材料在與田徑運(yùn)動結(jié)合以后，極大地影響了田徑運(yùn)動的發(fā)展。本文主要分析高分子材料的力學(xué)性能對田徑運(yùn)動器械的影響，旨在從細(xì)節(jié)的角度分析田徑運(yùn)動對高分子材料的依賴性，為田徑運(yùn)動器材加工領(lǐng)域發(fā)展提供幫助。

1 高分子材料力學(xué)性能分析

1.1 田徑運(yùn)動器械常用高分子材料

并非所有田徑運(yùn)動器械都可以使用高分子材料替代。某些運(yùn)動項目對使用的器械有固定的質(zhì)量、尺寸等要求，如投擲類運(yùn)動所使用的鐵餅、鉛球、鏈球等，由于大多數(shù)高分子材料的密度均較低，因此這一類田徑運(yùn)動器械并不能使用高分子材料替代。高分子材料在田徑運(yùn)動領(lǐng)域應(yīng)用，多集中在對運(yùn)動器械有“輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐疲勞度”等需求的領(lǐng)域，例如各類型運(yùn)動鞋、撐桿跳跳桿、標(biāo)槍以及體育場地等。田徑運(yùn)動常用的高分子材料有碳纖維、芳綸、聚氨酯等。表1所示為田徑運(yùn)動器械常用高分子材料分類情況。

表1 田徑運(yùn)動器械常用高分子材料[4-6]Table 1 Polymer materials commonly used in track and field sports equipment

不同的田徑項目所使用的常用器械差距較大，從不同類型的運(yùn)動鞋到跨欄、鐵餅、標(biāo)槍以及其他比賽、訓(xùn)練所使用的物品均可被劃入田徑運(yùn)動器械范疇。最常見的田徑運(yùn)動器械包括運(yùn)動員穿著的衣物、鞋襪、防護(hù)用具等，其他比較有針對性的器械則包括撐桿跳運(yùn)動使用的撐桿、緩沖墊，各類型運(yùn)動所使用的不同規(guī)格的跑道等。

1.2 高分子材料力學(xué)性能優(yōu)劣勢

1.2.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是一種利用碳纖維、環(huán)氧樹脂等材料進(jìn)行復(fù)合加工制備而成的高分子復(fù)合材料。碳纖維本身是一種極為優(yōu)秀的輕量化材料，其密度僅1.77 g/cm3左右，僅為一般常用鋼材料的25%左右，比田徑器材領(lǐng)域常用的鋁材密度更低［7］。碳纖維復(fù)合材料不僅質(zhì)量輕，其力學(xué)性能更為優(yōu)異，在抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能方面的表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般金屬材料或其他結(jié)構(gòu)材料。常見的碳纖維復(fù)合材料如T300系列碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度便可以達(dá)到3500MPa以上，拉伸模量可達(dá)230GPa，高性能的T1000級碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能更加突出，遠(yuǎn)超一般金屬材料。此外，碳纖維復(fù)合材料還是一種具有各向異性的高分子復(fù)合材料，材料在垂直/平行纖維方向上的力學(xué)性能會表現(xiàn)出較大的差異性，因此，改變碳纖維纖維方向的排布能夠有效改變碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，具有較強(qiáng)的可設(shè)計性。

然而，碳纖維材料同樣具有某些缺陷。例如，碳纖維材料的耐磨性要劣于一般的鋁及其合金材料。部分體育裝備生產(chǎn)商利用碳纖維材料制作成釘鞋的鞋釘，能夠一定程度降低釘鞋的整體質(zhì)量。然而，由于碳纖維材料在長期的摩擦過程中會更快地破損，僅能作為某些不需要劇烈跑動的田徑項目釘鞋中，例如跳高等。

1.2.2 芳綸復(fù)合材料

芳綸及其復(fù)合材料的密度同樣較低，一般僅在1.44g/cm3左右，比一般的碳纖維材料還要低［8］。芳綸及其復(fù)合材料的力學(xué)性能極為優(yōu)異，其強(qiáng)度和模量高于一般玻璃纖維和碳纖維；芳綸復(fù)合材料纖維的在0°角度的材料拉伸強(qiáng)度更高，也同樣優(yōu)于一般的碳纖維材料；此外，芳綸復(fù)合材料的阻尼性更強(qiáng)，在某些需要提供緩震性能的體育防護(hù)器具、護(hù)墊等器材中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值，能夠為運(yùn)動員提供較好的緩震性能。

芳綸復(fù)合材料在纖維垂直方向的拉伸性能較差，即壓縮性能較差，通常壓縮強(qiáng)度僅能達(dá)到拉伸強(qiáng)度的20%左右，在進(jìn)行加工時往往需要將芳綸纖維與其他纖維進(jìn)行混合，彌補(bǔ)材料的缺陷。此外，芳綸復(fù)合材料抗紫外線照射的能力較差，在長期紫外線照射后其材料強(qiáng)度通常會大幅下降。因此，利用芳綸復(fù)合材料制備而成的防護(hù)器具等需要外部包覆一層防紫外線的布料等，以維持其材料強(qiáng)度。

1.2.3 聚氨酯材料

聚氨酯材料的分子鏈線性結(jié)構(gòu)，為材料提供了較高的強(qiáng)度、伸長率、回彈性等優(yōu)勢。同時材料的耐磨性、耐老化性、耐低溫性能也較為優(yōu)異。利用聚氨酯材料制成的部分體育服飾能夠很好地為運(yùn)動員提供保暖功能。同時，聚氨酯材料還是一種極佳的田徑跑道主體材料。由于聚氨酯材料具有良好的回彈性，利用聚氨酯、黑膠粒等材料制備而成的塑膠跑道能夠為運(yùn)動員提供較好的足部回彈，配合釘鞋能夠使運(yùn)動員在蹬地時的回饋力度更強(qiáng)。目前聚氨酯跑道已經(jīng)逐漸全面取代了傳統(tǒng)的渣土跑道，成為我國學(xué)校、體育場館等場地制備的主要材料。

聚氨酯材料制備而成的體育器材普遍耐高溫性能較差，在溫度過高時材料的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度等力學(xué)性能會嚴(yán)重下滑。此外，聚氨酯材料盡管具有較好的彈性，但滯后損失卻較大，面對頻繁、多次變形以后會產(chǎn)生較多的熱量最終影響材料的性能。因此，通常暴露于自然環(huán)境下的聚氨酯體育器材普遍需要進(jìn)行打孔設(shè)計或利用透氣型結(jié)構(gòu)改善器材的內(nèi)部環(huán)境。

1.2.4 尼龍

尼龍即聚酰胺纖維，具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、抗拉和抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)勢。尼龍材料的比拉伸強(qiáng)度高于一般的鋼材或鋁合金材料，比壓縮強(qiáng)度與鋁合金等金屬材質(zhì)相當(dāng)，盡管材料本身的剛性不如鋁合金等金屬材質(zhì)，但尼龍材料本身的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度極為接近，遠(yuǎn)高于一般的ABS材料，能夠很好地吸收外部沖擊、應(yīng)力振動等。此外，尼龍材料的耐疲勞性優(yōu)勢極為突出，在經(jīng)過多次反復(fù)屈折以后仍然能夠保證100%的原有材料機(jī)械強(qiáng)度，在應(yīng)用于運(yùn)動服飾、部分器材的握持部分能夠保證長期使用不變形、不損壞［9］。

尼龍材料的缺點也較為明顯，材料本身吸水性較差、尺寸的穩(wěn)定性也較差，單獨(dú)利用尼龍材料加工而成的服飾在運(yùn)動員大量出汗以后通常會帶來較差的舒適度。同時材料本身的抗靜電性能也不好，現(xiàn)在多將尼龍與其他纖維材料復(fù)合進(jìn)行某些器械、服飾的加工。

2 高分子材料力學(xué)性能對田徑運(yùn)動器械的影響

2.1 對田徑運(yùn)動鞋的影響

田徑運(yùn)動鞋分有釘款、無釘款等。如圖1所示是NIKEAir Zoom Victory專為800至10000米競速賽跑設(shè)計研發(fā)的一款有釘跑鞋。該跑鞋除鞋釘采用金屬材質(zhì)以外，其余鞋體部分全部采用高分子材料加工而成。鞋跟部分采用Nike ZoomX泡棉材料制備而成，這種泡棉材料是一種利用聚氨酯發(fā)泡制備而成的彈性結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量僅有一般減震橡膠材料的1/3，但其彈性更好，能夠為運(yùn)動員提供超過85%的能量反饋，極大地節(jié)省了中長跑運(yùn)動員在足部著地時的能量損耗。大底及中底采用了大量的碳纖維板，通過貫穿前后腳掌的設(shè)計提升了跑鞋整體剛性和抗扭轉(zhuǎn)性能［10］。同時，由于碳板本身剛性極強(qiáng)，能夠在運(yùn)動員跑步過程中以運(yùn)動員拇指球為支點，在運(yùn)動員前腳掌著地大拇指使勁向下壓時，利用碳板的剛性把腳后跟翹起來，改變因為緩震材料過軟帶來的能量回饋不夠的情況，配合前后腳掌兩個單獨(dú)的氣囊，給運(yùn)動員帶來出色的緩沖保護(hù)，實現(xiàn)更平穩(wěn)的過渡，同時讓雙足不失掌控力。此外，在該跑鞋的中底處還加入一層薄薄的Nike ZoomX泡棉，嵌在碳板和地面之間，并對整個系統(tǒng)作了相應(yīng)調(diào)整，以減少能量損失，增強(qiáng)回彈力。鞋面采用Nike Flyknit的升級材料Nike Atomknit。實現(xiàn)了長跑釘鞋設(shè)計模式的完全轉(zhuǎn)變。

圖1 NIKE品牌某款有釘跑鞋F(xiàn)ig. 1 A Nike running shoe with nails

2.2 對撐桿跳桿的影響

撐桿跳桿是撐桿跳運(yùn)動必備的運(yùn)動器械。原始的撐桿跳桿多以竹子為基材，由于竹子長期暴露于自然環(huán)境下以后會逐漸變脆，競技過程中斷桿現(xiàn)象頻發(fā)。隨著現(xiàn)代材料科技的不斷發(fā)展，玻璃纖維、碳纖維撐桿逐漸發(fā)展成熟。由于碳纖維材料本身具有剛性大、彈性模量大等力學(xué)性能優(yōu)勢，在應(yīng)用于撐桿跳運(yùn)動以后，極大地提升了運(yùn)動員將動能轉(zhuǎn)化為重力勢能的比例。作為一種“能量轉(zhuǎn)換器”，碳纖維桿明顯提升了撐桿跳運(yùn)動的平均水平。目前，使用碳纖維桿開展撐桿跳運(yùn)動的男子世界記錄已經(jīng)達(dá)到了6.18m，女子世界記錄也已經(jīng)達(dá)到了5.06m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了竹竿時期，也優(yōu)于玻璃纖維桿時期。同時，由于碳纖維桿的整體剛性更強(qiáng)，也有效降低了玻璃纖維時期的“斷桿”風(fēng)險，增強(qiáng)了撐桿跳運(yùn)動的安全性。

2.3 對防護(hù)器具的影響

跳高、撐桿跳運(yùn)動中需要利用防護(hù)墊等對運(yùn)動員提供保護(hù)。以前傳統(tǒng)的防護(hù)墊多采用橡膠外部包覆皮革制成，在長期戶外使用下容易開裂、老化、變硬，一旦遇水或者被汗液浸濕以后會變得非常光滑。運(yùn)動員一旦掌握不好著地角度，很容易因為防護(hù)墊的問題而發(fā)生危險。因此，體育器械生產(chǎn)廠家開始利用POE空氣纖維等作為內(nèi)充成分，以聚氨酯纖維為外部包裹物制備出新型的防護(hù)墊。這種防護(hù)墊由于內(nèi)外部高分子材料彈性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)且具有一定的吸水性，能夠較好地為運(yùn)動員提供防護(hù)，同時也不容易因水分的存在而出現(xiàn)打滑。

3 結(jié)語

高分子材料普遍具有比一般木材、金屬材料更為優(yōu)異的力學(xué)性能。隨著田徑運(yùn)動的飛速發(fā)展，利用高分子材料制備而成的田徑運(yùn)動鞋、器械以及防護(hù)器具等，逐漸成為影響田徑運(yùn)動發(fā)展的重要因素。本文總結(jié)了當(dāng)前田徑運(yùn)動器械常見高分子材料力學(xué)性能優(yōu)劣勢，對高分子材料如何影響田徑運(yùn)動發(fā)展進(jìn)行了案例分析。但是，田徑運(yùn)動受高分子材料影響的領(lǐng)域較多，本文無法一一論述，需要在今后的研究中逐漸完善。