纖維增強(qiáng)塑料在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

馬 艷，牛海波，馬夢(mèng)琪

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，體育運(yùn)動(dòng)得到越來(lái)越多的重視，體育競(jìng)技活動(dòng)發(fā)展日益迅速。研究顯示，我國(guó)體育領(lǐng)域的產(chǎn)值巨大，極大地推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為體育競(jìng)技發(fā)展的輔助，體育器材具有重要的支撐作用，其安全性對(duì)運(yùn)動(dòng)員的健康有著直接影響，且器材性能與質(zhì)量一定程度上決定了體育競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的發(fā)展水平。一般情況下，木材、塑料及鋼材等組成體育器材的主要制作原料。其中，憑借輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕及力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)良等特性，塑料逐漸成為體育器材制作的主要材料之一[1-2]。然而由于強(qiáng)度較低、易變形和老化以及服役壽命短等不足，塑料在體育器材中的應(yīng)用受到了一定限制。為改善傳統(tǒng)塑料的綜合性能，通過(guò)纖維進(jìn)行改性是一種有效途徑。本文為探究體育器材中纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用情況，對(duì)幾類常見纖維的增強(qiáng)塑料材料開展闡述，如碳纖維、玻璃纖維及高強(qiáng)高模合成纖維等。通過(guò)總結(jié)相關(guān)纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用特性，并分析其在體育器材中的應(yīng)用情況，繼而更好地推動(dòng)我國(guó)體育領(lǐng)域中新型復(fù)合材料的應(yīng)用。

1 纖維增強(qiáng)塑料概述

纖維增強(qiáng)塑料是一種新型復(fù)合材料，其將纖維作為改性材料，以塑料作為基底材料，基于相應(yīng)成型工藝（模壓、纏繞或擠壓等）加工制作而成。纖維增強(qiáng)塑料作為兩相復(fù)合材料，在兼顧纖維和塑料兩種原材各自優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，克服了原始單一材料存在的缺陷，實(shí)現(xiàn)了塑料材料的性能提升。研究顯示，纖維增強(qiáng)塑料能較好地契合體育器材的應(yīng)用需求，已成為主要的制作原材之一。

根據(jù)摻入纖維的類別，纖維增強(qiáng)塑料主要包括合成纖維增強(qiáng)塑料與無(wú)機(jī)纖維增強(qiáng)塑料。顧名思義，前者的改性材料為合成纖維，如超高模量聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維及混雜纖維等；后者的改性材料主要為無(wú)機(jī)纖維，如碳纖維、玻璃纖維、碳化硅纖維及硼纖維等。通過(guò)纖維改性，塑料的性能劣勢(shì)能夠得到彌補(bǔ)，但不同纖維增強(qiáng)塑料的性能各不相同，其在體育器材中的應(yīng)用也存在差異。

2 纖維增強(qiáng)塑料在體育器材中的應(yīng)用

2.1 碳纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用

在當(dāng)前使用纖維增強(qiáng)塑料的體育器材中，最為常見的是碳纖維增強(qiáng)塑料，其憑借易于加工、輕質(zhì)高強(qiáng)及力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)異等特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)踐中，碳纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用領(lǐng)域一般包括網(wǎng)球拍、帆船骨架、自行車架以及保齡球等[3]。

張國(guó)勝[4]以碳纖維增強(qiáng)塑料為原材，通過(guò)纏繞成型的工藝制取網(wǎng)球拍，并開展了對(duì)應(yīng)的力學(xué)測(cè)試與微觀構(gòu)造分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強(qiáng)塑料的拉伸強(qiáng)度與模量分別達(dá)到1.5GPa和140GPa，密度僅為1.45g/cm3，較鋁/鈦合金等更小，而力學(xué)強(qiáng)度則更優(yōu)，其比模量為0.97×109cm。在擊球彈性方面，相比傳統(tǒng)木質(zhì)球拍，碳纖維增強(qiáng)塑料制得的網(wǎng)球拍是其1.5倍，在安全與便捷方面更加符合使用要求。

盛夏[5]為制得碳纖維增強(qiáng)塑料撐桿，同樣利用了纏繞成型工藝并與常規(guī)木質(zhì)撐桿開展了對(duì)比分析。研究顯示，在撐桿跳成績(jī)方面，對(duì)于同水平運(yùn)動(dòng)員，使用碳纖維增強(qiáng)塑料撐桿與木質(zhì)撐桿的成績(jī)分別為4.4m和3.3m，表明碳纖維增強(qiáng)塑料可更好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)能與重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，其優(yōu)異的彈性有助于獲取更好的成績(jī)。

和振東等[6]以耐腐蝕性與力學(xué)強(qiáng)度為指標(biāo)，對(duì)賽艇槳桿進(jìn)行了試驗(yàn)，其制作原材為碳纖維增強(qiáng)塑料。分析表明：當(dāng)試件長(zhǎng)寬分別為0.25、0.02 m時(shí)，相比聚酯塑料98.54MPa的拉伸強(qiáng)度，碳纖維增強(qiáng)塑料可達(dá)281.56MPa；經(jīng)鹽堿混合溶液浸泡腐蝕長(zhǎng)達(dá)3周后，由碳纖維增強(qiáng)塑料制成的賽艇槳桿表面才出現(xiàn)氣泡，表明其耐腐蝕性優(yōu)良（實(shí)際使用時(shí)材料一般不會(huì)長(zhǎng)期置于高鹽堿環(huán)境中），符合使用要求。

周博[7]探究了體育器材中碳纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用價(jià)值，指出在皮劃艇、滑雪桿及自行車等領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)塑料憑借輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，可有效降低運(yùn)動(dòng)員體能消耗，改善運(yùn)動(dòng)成績(jī)。此外，拉拔、擠壓或纏繞等工藝均適用于碳纖維增強(qiáng)塑料的成型，加工便捷，可靈活滿足體育器材不同的形態(tài)要求。

黃珂[8]基于高爾夫球桿，探究了碳纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用，并測(cè)試了其性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相較金屬高爾夫球桿，碳纖維增強(qiáng)塑料高爾夫球桿可以減輕40%，其彈性模量為470GPa。但碳纖維增強(qiáng)塑料的粘附性稍低，在實(shí)際應(yīng)用中尚需通過(guò)表面改性以提升高爾夫球桿的綜合性能。

2.2 玻璃纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用

根據(jù)性能不同，玻璃纖維一般包括常規(guī)玻璃纖維、高強(qiáng)玻璃纖維以及多種玻璃纖維的復(fù)合物。在進(jìn)行塑料改性時(shí)，將玻璃纖維作為改性材料可顯著增強(qiáng)抗彎拉與力學(xué)性能。當(dāng)下，體育行業(yè)中的玻璃纖維增強(qiáng)塑料得到了較多應(yīng)用，如網(wǎng)球拍、滑雪桿、高爾夫球桿等[9]。馬德厚[10]在船槳制作時(shí)應(yīng)用了復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)塑料，通過(guò)分析制作工藝與性能發(fā)現(xiàn)：將高強(qiáng)玻璃纖維與常規(guī)玻璃纖維摻合制得平紋織物，再開展塑料改性，由此制得的船槳質(zhì)量輕便，且抗沖擊性能改善顯著，可使賽艇航速增加約20%。

李娟[11]以常規(guī)塑料與玻璃纖維增強(qiáng)塑料為原材，對(duì)比探究了沖浪板中玻璃纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用的耐腐蝕性與力學(xué)強(qiáng)度，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由玻璃纖維增強(qiáng)塑料制得的沖浪板拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及沖擊強(qiáng)度均符合使用要求，且其拉伸強(qiáng)度比常規(guī)塑料沖浪板高出近1/4。經(jīng)過(guò)鹽堿溶液浸泡1個(gè)月后，普通塑料的質(zhì)量損失為0.07g，而玻璃纖維增強(qiáng)塑料僅為0.02g，表明其耐腐蝕性較為優(yōu)異。

杜希巖等[12]基于滑雪板視角，分析了玻璃纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用，認(rèn)為以玻璃纖維增強(qiáng)塑料作為原材可提升滑雪板的強(qiáng)度與韌性，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)塑料滑雪板的性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：在吸濕、耐熱與耐腐蝕性方面，玻璃纖維增強(qiáng)塑料均有較好表現(xiàn)，同時(shí)纖維直徑與力學(xué)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，直徑低至30μm內(nèi)時(shí)，可獲得比強(qiáng)度超過(guò)600N·m/kg的高強(qiáng)滑雪桿。李豫[13]以復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)塑料為原材制作曲棍球，試驗(yàn)認(rèn)為：新型曲棍球的吸振性能突出，在比賽中可大幅降低振動(dòng)，利于球員控制小球，改善運(yùn)動(dòng)成績(jī)；測(cè)定復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)塑料的有關(guān)性能可知，相較常規(guī)合金曲棍球，復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)塑料能提升3倍強(qiáng)度，而自重僅為1/3。

張馨嬌等[14]分析了自行車領(lǐng)域的玻璃纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用效果，通過(guò)測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)：將玻璃纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用于自行車架體，除斷裂伸長(zhǎng)率稍差外，可有效提高拉伸強(qiáng)度與服役年限，并降低車體自重。

2.3 高強(qiáng)高模合成纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用

在體育領(lǐng)域，高強(qiáng)高模合成纖維增強(qiáng)塑料的改性材料一般為超高模量聚乙烯纖維與芳香族聚酰胺纖維，前者較多應(yīng)用于水上、冰上以及球類運(yùn)動(dòng)中，而后者在滑雪板、自行車與網(wǎng)球拍中應(yīng)用廣泛[15]。

顧龍?chǎng)蔚萚16]探究了賽艇中芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用特性與效果，研究發(fā)現(xiàn)：相比碳纖維增強(qiáng)塑料或鋁合金，芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料的密度更低，僅約1.44g/cm3，而最大的拉伸強(qiáng)度逾1300MPa；以芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料為原料制成的賽艇具有優(yōu)異的強(qiáng)度、剛度及韌性，符合國(guó)際競(jìng)賽的賽艇標(biāo)準(zhǔn)，且耐腐蝕性能良好。

齊佳[17]總結(jié)了體育器材中采用芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料的優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料可在網(wǎng)球拍與自行車中進(jìn)行良好應(yīng)用。能優(yōu)化網(wǎng)球拍的抗沖擊性與延展性，增強(qiáng)減振吸能性能；可在保證自行車車體美觀的基礎(chǔ)上，有效改善車體安全性與體驗(yàn)感，提升使用壽命。任意[18]探究了超高模量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料的相關(guān)工藝與應(yīng)用，試驗(yàn)表明：由于分子量大、黏度高、流動(dòng)性弱，為達(dá)到制造工業(yè)化的目的，需要對(duì)超高模量聚乙烯纖維應(yīng)用凍膠紡絲工藝；相較芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維增強(qiáng)塑料，由超高模量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料制得的賽艇具有更高的強(qiáng)度與密度，可適應(yīng)腐蝕性或高濕度條件。

黃曉華[19]分析了足球領(lǐng)域中超高模量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用情況，認(rèn)為在減振與柔軟度方面，由超高模量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料制得的足球有更好的表現(xiàn)，不易造成運(yùn)動(dòng)員的損傷。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)超高模量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料的批量化加工與生產(chǎn)，費(fèi)用較少的二步法硅烷交聯(lián)工藝是較好的選擇。李娜[20]對(duì)比闡述了羽毛球拍網(wǎng)線中的超高模量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用，認(rèn)為相較常規(guī)的聚乙烯網(wǎng)線，新型網(wǎng)線的反彈性更佳，可更好地滿足運(yùn)動(dòng)員控球、扣殺與放網(wǎng)等過(guò)程中的沖擊性能，改善控球感與擊打感，進(jìn)一步促進(jìn)運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提升。此外，在耐熱與耐用性方面，超高模量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料也具有一定優(yōu)勢(shì)，有利于羽毛球拍網(wǎng)線服役年限的延長(zhǎng)。

2.4 其他纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用

在體育器材應(yīng)用方面，對(duì)于纖維增強(qiáng)塑料，除碳纖維、玻璃纖維與超高模量聚乙烯纖維等改性纖維外，還有碳化硅纖維、硼纖維以及混雜纖維等。其中，碳化硅纖維增強(qiáng)塑料適用于滑雪板，硼纖維增強(qiáng)塑料可充當(dāng)網(wǎng)球拍與釣魚竿的原材，而混雜纖維增強(qiáng)塑料則被較多地用于高爾夫球具與籃球等體育器材中[21]。張蕓蕓[22]以碳化硅纖維增強(qiáng)塑料為研究對(duì)象，分析了其性能與構(gòu)造，并介紹了應(yīng)用情況。研究發(fā)現(xiàn)，碳化硅纖維增強(qiáng)塑料可耐逾1200℃的高溫，且綜合性能突出，如抗壓耐磨、拉伸強(qiáng)度與模量高等，適用于滑雪板、撐桿等體育器材中。

李承宇等[23]探究了硼纖維增強(qiáng)塑料材料的特性與應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)與其他纖維增強(qiáng)塑料性能的對(duì)比分析，總結(jié)認(rèn)為：硼纖維增強(qiáng)塑料拉伸強(qiáng)度與拉伸彈性模量較高，分別可達(dá)3600MPa和400GPa，且硬度遠(yuǎn)高于碳化硅纖維增強(qiáng)塑料，而密度僅為2.57g/cm3；將硼纖維增強(qiáng)塑料作為高爾夫球桿原材，有助于增強(qiáng)球桿的擊球感，除可更好地操控高爾夫球的方向外，還能延長(zhǎng)其飛行距離。潘利利[24]總結(jié)了體育器材中碳化硅纖維增強(qiáng)塑料的相關(guān)應(yīng)用，認(rèn)為在拳擊臺(tái)、沖浪板與皮劃艇等制作中均可應(yīng)用碳化硅纖維增強(qiáng)塑料，然而其當(dāng)前的加工工藝尚處于初級(jí)階段，工業(yè)化制作成本高昂，阻礙了其推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

體育器材一般要求具有較好的耐用性與安全性等性能，作為一種典型的現(xiàn)代化復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)塑料不僅安全耐用，而且還具備易加工、使用輕便、設(shè)計(jì)自由度高及力學(xué)強(qiáng)度好等優(yōu)勢(shì)，已逐漸取代傳統(tǒng)木質(zhì)或鋼質(zhì)材料成為體育器材的主要原材之一。但當(dāng)下針對(duì)纖維增強(qiáng)塑料的研究尚不完善，少有涉及纖維增強(qiáng)塑料材料類別、特性與生產(chǎn)工藝的探究，導(dǎo)致體育器材中的纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用存在較多限制，應(yīng)用潛力未能得到充分挖掘。未來(lái)尚需深入開展纖維增強(qiáng)塑料中的改性材料多樣化研究，優(yōu)化復(fù)合材料生產(chǎn)工序，提升纖維增強(qiáng)塑料的綜合性能，有效助力體育行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。