低溫強(qiáng)韌性可回收再利用復(fù)合材料
——滑雪愛好者心目中的新時(shí)代材料

陳杰徐培明蔡建寧,3趙建民,2孫威,2

（1.泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 山東 樂陵 253600；2.山東泰山體育用品工程技術(shù)研究中心有限公司 山東 樂陵 253600；3.山東萬億體育健康服務(wù)有限公司 山東 樂陵 253600）

2022年北京冬季奧運(yùn)會(huì)即將開幕，在這場(chǎng)冰雪運(yùn)動(dòng)盛宴中，全世界的眾多選手將突破自我，在許多冰雪活動(dòng)中挑戰(zhàn)極限。在運(yùn)動(dòng)會(huì)上，選手的身體成果和訓(xùn)練成果很重要，同時(shí)選擇合適的體育用品也是成功的重要因素之一。以滑雪板為例，其制成材料發(fā)生了很多變化，上個(gè)世紀(jì)后半期，玻纖復(fù)合材料開始用于滑雪板的制造。從那以后，其成為了體育用品制造商的主要原料。

在大眾冬季冰雪運(yùn)動(dòng)中，滑雪越來越受到人們的青睞。無論是普通的滑雪愛好者還是真正的發(fā)燒友，擁有一副適合自己的滑雪板自然是必不可少的。而隨著材料科學(xué)的發(fā)展與智能系統(tǒng)的應(yīng)用，滑雪板可能成為你技高一籌的關(guān)鍵。在早期的滑雪運(yùn)動(dòng)中，木材是滑雪板制材的首選，因?yàn)槟静拿芏鹊?、?qiáng)度高，能做出各種各樣的形狀，而且容易操作。為了便于人們操控，起初的滑雪板又薄又長(zhǎng)，在結(jié)合部位還有一塊較厚的木材。不過，木材的致命傷在于，易受潮變形、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下強(qiáng)度比較低。因此，之后的滑雪板改變了傳統(tǒng)的單片木質(zhì)結(jié)構(gòu)，混合了塑料板基、鋼鐵、邊緣以及鋁合金等結(jié)構(gòu)元素，大大增加了板的強(qiáng)度、彈性和穩(wěn)定性，板身長(zhǎng)度也逐漸變短。K2體育工程和研發(fā)副總裁Dodd Grande表示，復(fù)合材料在滑雪中的應(yīng)用和開發(fā)源于滑雪者不同的體育需求。高山滑雪運(yùn)動(dòng)員主要由重力驅(qū)動(dòng)，而越野滑雪運(yùn)動(dòng)員則依靠自身作為原動(dòng)力。判斷它們的差異在于對(duì)滑雪板材料有不同的要求。

1、復(fù)合材料滑雪板的簡(jiǎn)史

根據(jù)國(guó)際滑雪史協(xié)會(huì)（ISHA）的記錄，用玻纖復(fù)合材料制作的世界第一支高山滑雪板，是由工程師Fred Langendorf和Art Molnar發(fā)明的，誕生于加拿大蒙特利爾，以Toni Sailer的商標(biāo)名稱注冊(cè)。三年后，Bill和Don Kirschner創(chuàng)立了K2運(yùn)動(dòng)，開始生產(chǎn)自己品牌的玻纖復(fù)合滑雪。1967年，Art Molnar加入K2運(yùn)動(dòng)，開發(fā)了帶有泡沫芯的玻纖復(fù)合滑雪板。到1968年，玻纖將木材和鋁替換成了最常用于娛樂滑雪的滑雪板材料。1970年，玻纖復(fù)合材料進(jìn)入越野滑雪領(lǐng)域。

20世紀(jì)70年代，滑雪行業(yè)進(jìn)行了復(fù)合材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)。玻纖預(yù)浸料的使用可以提高生產(chǎn)效率，但非常昂貴。s級(jí)玻纖將e級(jí)玻纖替換為濕式層壓工藝中使用的材料。同時(shí)，在玻纖中混合少量kevlar芳綸、碳纖維、陶瓷纖維和其他高強(qiáng)度材料，提高整體的強(qiáng)度、彈性、耐沖擊性等。

Biri是現(xiàn)有最古老的北歐滑雪品牌，由挪威麥迪遜公司創(chuàng)立，1988年被K2體育公司收購(gòu)。從1906年開始，馬杜斯從事北歐滑雪板的設(shè)計(jì)，1974年開始生產(chǎn)玻纖復(fù)合滑雪。1979年，馬杜什引進(jìn)了雙扭力箱的設(shè)計(jì)理念，制定了世界上大多數(shù)單板滑雪的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1989年，Bucky Kashiwa創(chuàng)立了第一個(gè)商業(yè)批量鋼制滑雪板項(xiàng)目。雖然在初期階段取得了成功，但2001年由于人工費(fèi)很高，不得不搬遷到奧地利。生產(chǎn)設(shè)備的一部分由大衛(wèi)·古德購(gòu)買，用于生產(chǎn)碳纖維復(fù)合滑雪。2005年，DPS公司推出了世界上第一款（也是北美唯一一款）擁有純粹用碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)的三明治結(jié)構(gòu)的滑雪板。今天，碳纖維預(yù)浸料在滑雪中的應(yīng)用正在增加。

2、新時(shí)代復(fù)合材料在冰雪運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

2.1、復(fù)合材料在滑雪車上的應(yīng)用

滑雪車在中國(guó)是新事物，不能使用滑雪桿的人可以享受滑雪的樂趣?；┸囀侵袊?guó)的新興產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)和制造不足。過去，滑雪的承重部分面臨許多問題和挑戰(zhàn)。目前，纖增強(qiáng)材料已成為滑雪板承載力的主角，問題很容易得到解決。先進(jìn)纖維增強(qiáng)材料已成為滑雪行業(yè)的明星材料。

用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬零件不僅會(huì)減輕重量，還會(huì)減輕滑雪中的碰撞、振動(dòng)、噪音、摩擦等問題，提高疲勞阻力，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

2.2、復(fù)合材料在滑雪板上的應(yīng)用

在上上屆冬季奧運(yùn)會(huì)上，玻纖增強(qiáng)材料進(jìn)入了滑雪場(chǎng)，成為了滑雪板產(chǎn)業(yè)的明星材料?；┌瀹a(chǎn)業(yè)的原料，經(jīng)過許多世代的發(fā)展，現(xiàn)在的主角是玻纖強(qiáng)化材料。

使用玻纖增強(qiáng)材料制造滑雪的K2體育公司說，玻纖復(fù)合材料在滑雪中的應(yīng)用和開發(fā)，源于滑雪運(yùn)動(dòng)員不同的運(yùn)動(dòng)需求。高山滑雪主要由重力驅(qū)動(dòng)，極端荒野滑雪作為原動(dòng)力依賴于其自身。判斷它們的差異在于對(duì)滑雪板材料有不同的要求。Wagner公司是玻纖復(fù)合材料的重要推廣者。據(jù)該公司介紹，“玻璃光纖是輕量、高強(qiáng)度、高扭轉(zhuǎn)剛性和優(yōu)異的沖擊吸收性能的單板滑雪的優(yōu)秀材料。

權(quán)威滑雪者提初學(xué)者，必須認(rèn)識(shí)到對(duì)滑雪板“彈性”的過度追求可能會(huì)導(dǎo)致“凹凸不平”的滑行，從而減少滑雪體驗(yàn)。因此，纖維增強(qiáng)材料復(fù)合滑雪板目前是更好的選擇。

2.3、復(fù)合材料滑雪鞋

參加滑雪時(shí)，應(yīng)該穿安全可靠的滑雪鞋。畢竟，冰和雪非常滑，很危險(xiǎn)。不會(huì)滑雪的人不能體驗(yàn)滑樂趣。用防滑保暖的玻纖制成的鞋可以在冰上和雪地上行走和跳躍。

冬天有可以用于在冰上和雪地上行走的冬天的防滑鞋。鞋的背面是由嵌入了成千上萬玻纖的橡膠材料制成的，玻纖就像抓住冰和雪的小釘子。這些鞋由加拿大科學(xué)家開發(fā)，防滑，溫暖，經(jīng)濟(jì)。

滑雪鞋一般分為高山鞋、越野鞋和單板鞋。高山鞋一般由內(nèi)側(cè)和外側(cè)的部件構(gòu)成，外側(cè)的部分由塑料或ABS成形，不容易變形，內(nèi)層由化學(xué)纖維織物和隔熱材料制作。鞋的腳踝角度和鞋的重量和厚度可以根據(jù)具備保護(hù)功能的需要進(jìn)行調(diào)整。越野鞋一般分為尼龍和皮革制品，鞋圍短、鞋面軟、鞋子輕。

人們需要選擇感到舒適和合身的滑雪鞋，腳趾可以在鞋子里自由活動(dòng)，但只有腳腕可以向前彎曲，踏板、拱腳和腳后跟可以緊緊固定在鞋殼上，只有用這種方法才能控制滑雪板和滑雪的速度。初學(xué)者必須選擇有輕便、靈活、有彈性的操作性良好的滑雪鞋。加拿大科學(xué)家開發(fā)的方法是在冬天可以用來制作防滑鞋的彈性橡膠中嵌入玻纖。材料由嵌入了數(shù)千根玻纖，像小釘子一樣從橡膠中延伸出來的被稱為熱塑性聚氨酯的橡膠材料制成，像細(xì)砂紙一樣具有良好的抓地性能。

這樣的鞋底即使瓷磚或者和地磚一樣的干燥地面上，也可以像普通的橡膠一樣發(fā)揮作用。但是，在冰和雪的表面，這種與玻纖混合的橡膠，顯示出比普通橡膠好很多的防滑能力。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種鞋底不僅可以用于冰雪運(yùn)動(dòng)，在地面有冰和雪的冬天，為了保證走路的安全，也可以讓滑梯的老人和孩子們穿上這種防滑鞋。

玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料還用于滑雪桿、滑雪服、滑雪頭盔等。更多的滑雪用具和冬季運(yùn)動(dòng)用品被開發(fā)出來，為了讓機(jī)器能夠更高級(jí)地更新，為了取代傳統(tǒng)的材料而制造。

2.4、固定器

固定器是連接滑雪和滑雪靴的重要部分，在保護(hù)滑雪者的個(gè)人安全方面起著重要的作用?，F(xiàn)代固定器為了保護(hù)選手免受傷害，具有在選手倒下時(shí)自動(dòng)掉落滑雪靴和滑雪的功能。前固定裝置主要固定滑雪靴的前部，以防止滑雪靴左右移動(dòng)。其彈性可以通過固定裝置的旋鈕進(jìn)行調(diào)整。來自側(cè)面的沖擊力超過設(shè)定值時(shí)，彈性擋板橫向偏轉(zhuǎn)，滑雪和滑雪靴自動(dòng)分離，保護(hù)腳不受傷。后部結(jié)合除了前后移動(dòng)外還可以上下移動(dòng)。提升力的大小可以通過后部結(jié)合的旋鈕調(diào)節(jié)。如果來自上下的沖擊力超過設(shè)定的值，后綁定就會(huì)被解除，為了確保滑雪者的安全，滑雪和滑雪靴會(huì)自動(dòng)分離。前固定裝置和后固定裝置的值必須一致。初學(xué)者的控制能力較差，因此為了確保個(gè)人安全，需要設(shè)定較小的值。對(duì)于擁有更高技術(shù)的滑雪者，可以在高速和較大沖擊力的條件下靈活地控制滑雪，因此可以將數(shù)值設(shè)定得較大，以免不必要的滑雪掉落。

3、復(fù)合材料在高山滑雪板上的應(yīng)用（Apline Ski）

Grande表示說，有很多種適合高山滑雪的滑雪板，但以鋁和復(fù)合材料的混合物為主流，環(huán)氧膠粘劑主要用作粘結(jié)材料，因?yàn)檫@是通過實(shí)踐測(cè)試的最佳方案。

位于美國(guó)猶他州鹽湖城的DPS Skis滑雪公司現(xiàn)在是業(yè)界主要的滑雪板制作商。該公司采用純碳纖維預(yù)浸料的制造工藝。DPS Skis官方網(wǎng)站表示，行業(yè)其他多家企業(yè)也在使用該技術(shù)，但聲稱在實(shí)際生產(chǎn)流程中混合了玻纖。

DPS的營(yíng)銷經(jīng)理Alex Hunt說，碳纖維的使用不僅有輕量化的效果，也有助于制造商更準(zhǔn)確地控制滑雪板的剛性，為運(yùn)動(dòng)員提供更好的控制體驗(yàn)。與玻纖復(fù)合滑雪相比，碳纖維的耐疲勞性優(yōu)異。此外，使用“預(yù)浸料”作為標(biāo)準(zhǔn)半成品可以最大限度地減少手動(dòng)鋪層比例誤差，并確保滑雪的所有位置的性能一致性。

當(dāng)然，上述比較并不意味著玻纖復(fù)合滑雪板沒有用。設(shè)計(jì)滑雪板時(shí)，Wagner定制滑雪準(zhǔn)備了約100種替代材料。所有由Wagner制造的滑雪板，都以超高彈性模量聚乙烯為基礎(chǔ)，以木材為核心，由玻纖復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料或其混合物加固。Wagner公司采用濕式層壓工藝，樹脂通過加熱、固化、氣壓壓制形成。

4、復(fù)合材料在極限荒野滑雪（Backcountry Ski）和登山滑雪（Alpine Touring）上的應(yīng)用

Wagner認(rèn)為，在上坡和垂直攀登時(shí)，輕量化的碳纖維復(fù)合滑雪板可以大幅減少運(yùn)動(dòng)員的能耗。Grande認(rèn)為，在過去的35年里，碳纖維復(fù)合材料因滑雪而備受歡迎。這是因?yàn)槿藗兊呐d趣不再局限于傳統(tǒng)的滑雪地，越來越多的愛好者將目光投向人跡罕至的荒山野嶺。

“那么，控制滑雪板重量的方法是什么？人們自然會(huì)想到輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維材料?！盙rande解釋說。同時(shí)登山和滑雪作為新的運(yùn)動(dòng)，開始進(jìn)入人們的視野（徒步登山，然后下山）。

新西蘭C6 Skis滑雪公司生產(chǎn)的滑雪是專門為極端荒野滑雪和登山滑雪設(shè)計(jì)的。C6公司采用高壓釜硬化碳纖維預(yù)浸料工藝（ACCP）。一般來說，碳纖維復(fù)合滑雪板的制造采用的是將碳纖維布浸在樹脂中，擠壓加熱，使之硬化的濕式層壓工藝。但是，在C6公司創(chuàng)始人Craig Stirling的眼中，這個(gè)方法會(huì)產(chǎn)生額外的重量。通過復(fù)合材料的應(yīng)用，可以在保持材料剛性的前提下，有效減少重量。

5、挑戰(zhàn)和前景

雖然許多滑雪者都是碳纖維預(yù)浸料的支持者，但需要認(rèn)識(shí)到，過度追求滑雪板的“彈性”過大可能會(huì)導(dǎo)致旅行過程中的“顛簸”，從而減少體育體驗(yàn)。同時(shí)，Alex Hunt還承認(rèn)，作為材料，碳纖維很難處理，由此制成的滑雪形狀也很難控制。

由于處于冷卻狀態(tài)，碳纖維和樹脂的結(jié)合不是很緊密。所有這些缺陷最終都會(huì)影響滑雪的生產(chǎn)進(jìn)度。近年來，為了得到更好的運(yùn)動(dòng)性能，應(yīng)用了在電場(chǎng)下變形時(shí)有可能產(chǎn)生電荷的壓電纖維復(fù)合材料。通過壓電纖維復(fù)合材料和芯片技術(shù)的結(jié)合，滑雪板可以擁有智能化的管理系統(tǒng)。壓電纖維將滑雪板的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存在芯片中?；┌遛D(zhuǎn)彎的最后一刻是最大彎曲的瞬間。此時(shí)，由于滑雪板上的傳感器能夠檢測(cè)出能量的需求，芯片在一瞬間向安裝在滑雪板尾部的纖維釋放所有的電能，滑雪板的尾部為了使滑雪者在轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠得到最大的加速，在這一瞬間 根據(jù)滑雪板的彎曲模式，傳感器預(yù)先設(shè)定響應(yīng)模式，力越大，回彈力越強(qiáng)。與其他運(yùn)動(dòng)不同，教練在滑雪時(shí)不能實(shí)時(shí)手把手教。安裝在滑雪板上的運(yùn)動(dòng)傳感器可以檢測(cè)滑雪者向哪個(gè)方向滑動(dòng)?；瑒?dòng)方向錯(cuò)誤時(shí)，可以使用振動(dòng)傳感器送出振動(dòng)，提醒滑雪者如何扭轉(zhuǎn)身體和平衡身體。另外，滑雪可以說是與環(huán)境變化密切相關(guān)的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在，研究者們還開發(fā)可持續(xù)的生物學(xué)復(fù)合材料-亞麻材料。復(fù)合材料的不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，給滑雪板等滑雪用具帶來了更多的可能性，當(dāng)然目前由于制造技術(shù)等原因，一些復(fù)合材料滑雪板造價(jià)比較高，賣價(jià)也比較高，但在不遠(yuǎn)的將來，隨著技術(shù)的成熟，低溫強(qiáng)韌性可回收再利用復(fù)合材料將成為滑雪用具制造的主要材料。

總而言之，碳纖維復(fù)合材料在找到有效的低成本碳纖維制造方法之前，很難在體育行業(yè)取得巨大的成果。這與在其他應(yīng)用中遇到的情況非常相似。但是Grande認(rèn)為，由于登山和滑雪的人氣、體育的新形式以及更大尺寸追求滑雪板的人們的傾向，碳纖維可以引導(dǎo)體育行業(yè)更快的發(fā)展。