合成纖維的特性分析及在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

常任琪

摘 要： 介紹了合成纖維材料的分類及其在體育領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)越性，闡述了目前利用合成纖維材料改善運(yùn)動(dòng)器材的典型案例，總結(jié)了合成纖維材料的先進(jìn)性與在體育領(lǐng)域中的發(fā)展前景，合成纖維材料不僅可以滿足高剛度的要求，還具有良好的抗沖擊性。它既有高的靜態(tài)強(qiáng)度，又有良好的動(dòng)態(tài)性能，如疲勞性能、衰減率等。說明了合成纖維材料因其優(yōu)越性能在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，能夠改善運(yùn)動(dòng)器材綜合性能。

關(guān)鍵詞： 體育器材；新型合成纖維；特性分析；優(yōu)勢(shì)

中圖分類號(hào)： TQ342+.74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1001-5922（2023）08-0079-04

Characteristic analysis and application advantage of synthetic fiber materials in sports field

CHANG Renqi

（Xi'an University，Xi'an 710061，China）

Abstract： This paper analyzes the classification of synthetic fiber materials and their advantages in the field of sports，expounds the typical cases of using synthetic fiber materials to improve sports equipment，and summarizes the advanced nature of synthetic fiber materials and the development prospects in the field of sports.Synthetic fiber materials can not only meet the requirements of high stiffness，but also have good impact resistance. It has both high static strength and good dynamic performance，such as fatigue performance，decay rate and so on. It shows that synthetic fiber material is widely used in sports field because of its superior performance，and can improve the comprehensive performance of sports equipment.

Key words： sports equipment;novel synthetic fibers;characteristic analysis;advantage

體育是現(xiàn)代科技的窗口，它代表了一個(gè)國(guó)家的科技水平。高科技材料在運(yùn)動(dòng)器材發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，競(jìng)技體育發(fā)展方向也指向更加科學(xué)先進(jìn)的訓(xùn)練規(guī)劃與器材制備，這使運(yùn)動(dòng)器材制備及相關(guān)材料研發(fā)受到鼓舞[1]。由于合成纖維本身具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易加工、耐沖擊等優(yōu)勢(shì)，合成纖維的質(zhì)輕與強(qiáng)度比合金、塑料等材料更好[2]。目前碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、超高模量聚乙烯纖維、芳綸等高性能纖維材料得到廣泛應(yīng)用。因此，合成纖維材料的開發(fā)和應(yīng)用為體育產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和完善奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

1 合成纖維材料的特性及應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 碳纖維

碳原子在一維中的鍵合排列產(chǎn)生超高強(qiáng)度纖維，通常稱為碳纖維（CF）[4]。CF的直徑大多在5～10 mm內(nèi)。碳纖維具有出色的性能[5]：高拉伸強(qiáng)度、高抗壓強(qiáng)度、高彈性模量、低熱膨脹以及高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特性。由于這些優(yōu)異的性能，碳纖維被用于航空和汽車行業(yè)的復(fù)合材料、體育用品、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等。碳纖維密度低于鋼，比鋼具有更高的比強(qiáng)度，幾乎可以制造出具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)性能的任何形狀的產(chǎn)品[6]。為了在商業(yè)應(yīng)用中使用CF，對(duì)它們進(jìn)行徹底的表征至關(guān)重要，以便通過單獨(dú)使用CF或在復(fù)合結(jié)構(gòu)中使用CF來確保所需的工作標(biāo)準(zhǔn)（例如，用于電氣或機(jī)械應(yīng)用等）。碳纖維的特性及應(yīng)用如表1所示。

碳纖維復(fù)合材料的性能突出。用它制成的造型裝置的綜合性能具有重量輕、比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞、耐磨、抗振動(dòng)吸能、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)良性能，是任何材料都無法比擬的[7]。用于生產(chǎn)這些體育娛樂設(shè)備的碳纖維占世界碳纖維總消費(fèi)量的35%。 在設(shè)計(jì)和良好的加工成型等方面，使其成為理想的運(yùn)動(dòng)器材更新新材料，并已廣泛用于生產(chǎn)各種運(yùn)動(dòng)器材[8]在體育娛樂設(shè)備中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）主要用于制作高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、釣魚竿、羽毛球拍、滑雪板、自行車、弓箭、乒乓球拍、賽艇、游艇、槳、冰曲棍球、棒球棒等[9]。

1.2 玻璃纖維

玻璃纖維主要由二氧化硅（SiO 2）組成，類似于窗玻璃，直徑約為3～25 μm[10]。玻璃纖維通常用于增強(qiáng)聚合物。玻璃棉是另一種玻璃纖維，長(zhǎng)約10～50 mm，纏結(jié)成大塊的棉狀，用于隔熱和隔音[11]。玻璃纖維的生產(chǎn)成本低于碳纖維，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。碳纖維是黑色的、高度各向異性的和導(dǎo)電的，而玻璃纖維是透明的、各向同性的和電絕緣體[12]。

玻璃纖維在沒有基質(zhì)的情況下用作過濾器和用于隔熱和隔音的纖維毯。玻璃纖維在航空航天、汽車、船舶、體育和休閑用品、建筑和土木工程等各個(gè)領(lǐng)域用作聚合物的增強(qiáng)材料。主要優(yōu)勢(shì)之一使用玻璃纖維來增強(qiáng)聚合物的最大優(yōu)勢(shì)在于其高性價(jià)比[13]。以膜形式應(yīng)用玻璃纖維的一個(gè)例子是由聚四氟乙烯（PTFE）涂層玻璃纖維制成的建筑膜，用于體育場(chǎng)和機(jī)場(chǎng)的天花板。

1.3 硼纖維

硼纖維非常堅(jiān)硬，具有很高的抗拉和抗壓強(qiáng)度[14]。纖維直徑比較大，抗壓縮性能好。在惰性氣體中，高溫性能良好。在空氣中超過500 ℃時(shí)，強(qiáng)度顯著降低。環(huán)氧樹脂基質(zhì)通常與硼纖維一起使用。硼纖維用于修復(fù)破裂的鋁制飛機(jī)蒙皮，因?yàn)榕鸬臒崤蛎浡式咏X，不存在電偶腐蝕的可能性。與大多數(shù)其他增強(qiáng)材料相比，它們的直徑相對(duì)較大（100～140 mm）。如果母材表面具有輪廓形狀，則硼纖維難以使用。由于硼纖維比許多類型的碳纖維更昂貴并且對(duì)人員可能是危險(xiǎn)的[15]。因此它們的使用受到更多限制。

硼纖維與其他纖維性能比較如表2所示。由于硼纖維具有高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)良特性，隨著科技的發(fā)展，逐漸可用于增強(qiáng)樹脂和金屬材料[16]。隨著商業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)，硼纖維逐漸被用于航空航天、體育娛樂用品、工業(yè)用品等領(lǐng)域。

1.4 碳化硅纖維

碳化硅基纖維主要用于增強(qiáng)金屬和陶瓷，有許多基于碳化硅的商業(yè)纖維，有許多通過聚合物熱解制成的多絲碳化硅基纖維[17]。碳化硅纖維與其他氧化物纖維相比，具有更低的原子擴(kuò)散、更高的斷裂韌性、更低的密度和更高的熱導(dǎo)率，即使在高溫下具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這表現(xiàn)在極強(qiáng)的抗氧化性和良好的高溫強(qiáng)度[18]， 這使得它們可用作高溫復(fù)合材料中的纖維增強(qiáng)材料。有兩種不同類型的碳化硅纖維：基體纖維和精細(xì)陶瓷纖維[19]?；诨牡睦w維通常具有鎢絲或碳絲作為基材。精細(xì)陶瓷纖維基于碳化硅，直徑約為15 μm，由聚碳硅烷前體熱解制成[20]。

1.5 超高模量聚乙烯纖維

超高模量聚乙烯纖維主要用于增強(qiáng)聚合物和防彈保護(hù)，與碳纖維、凱夫拉爾（Kevlar-49）纖維等纖維對(duì)比如表3所示。其強(qiáng)度更高，質(zhì)量更輕，化學(xué)性能更好穩(wěn)定性，具有很強(qiáng)的化學(xué)惰性，酸、堿和有機(jī)溶劑對(duì)強(qiáng)度幾乎沒有影響[21]；優(yōu)良的耐候性，經(jīng)l 500 h鞣制后，纖維強(qiáng)度保持率達(dá)80%，抗紫外線性能優(yōu)良、耐低溫性也很好。[FL）]

2 ?合成纖維材料的優(yōu)勢(shì)及常見器材中的應(yīng)用

2.1 合成纖維材料

2.1.1 抗沖擊性

相關(guān)研究表明，籃編織合成纖維的抗沖擊性最好，合成纖維在受沖擊過程中表現(xiàn)出良好的抗沖擊性，例如可制作防彈衣[22]。在高速?zèng)_擊下，合成纖維周圍一小部分區(qū)域，該區(qū)域很快消散，并且對(duì)織物的能量吸收能力沒有影響，因?yàn)榇蟛糠帜芰勘焕w維吸收，遠(yuǎn)離影響區(qū)域。特別適合在運(yùn)動(dòng)器材上應(yīng)用。

2.1.2 良好的彈性性能

在從組成材料特性確定單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性常數(shù)的近似方程研究中，樹脂性能是橫向模量和剪切模量的主要因素，但它們可以通過硼等高模量纖維得到改善[23]。硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明縱向和橫向模量與理論有合理的一致性。

2.1.3 強(qiáng)抗壓性能

對(duì)45根玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）鋼筋進(jìn)行了壓縮測(cè)試，以確定它們的極限強(qiáng)度和楊氏模量。鋼筋外徑為15 mm（#15鋼筋），無支撐長(zhǎng)度從50到380毫米不等。開發(fā)了一種壓縮測(cè)試方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與鋼筋的無支撐長(zhǎng)度直接相關(guān)的3種破壞模式被確定為壓碎、屈曲以及屈曲和壓碎組合[24]。破碎區(qū)域代表GFRP鋼筋在受壓混凝土中受限時(shí)所經(jīng)歷的破壞模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，#15 GFRP鋼筋壓碎失效的極限抗壓強(qiáng)度約為極限抗拉強(qiáng)度的50%。

2.2 合成纖維材料常見器材

運(yùn)動(dòng)員和運(yùn)動(dòng)器材之間的互動(dòng)質(zhì)量在許多體育活動(dòng)中起著重要作用[25]。隨著當(dāng)今材料科學(xué)的飛速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)器材也隨之發(fā)生變化。各國(guó)致力于開發(fā)新的運(yùn)動(dòng)器材以滿足市場(chǎng)需求。但近年來，越來越多的運(yùn)動(dòng)器材在生產(chǎn)過程中添加了纖維，而且一些運(yùn)動(dòng)器材的主要材料已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣衫w維[26]。因此，合成纖維材料在運(yùn)動(dòng)裝備方面開啟了新的征程。

2.2.1 羽毛球拍

羽毛球拍是我們的傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)器材。我國(guó)羽毛球拍的年產(chǎn)量約為470萬支，羽毛球的普及范圍相當(dāng)廣泛。中國(guó)市場(chǎng)上的羽毛球拍框架大部分是鋁合金材質(zhì)，其次是碳鋁和鍍鋼。隨著碳纖維在運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，如今市場(chǎng)上主要銷售的是碳素球拍，而現(xiàn)在，全碳素羽毛球拍已經(jīng)上市。羽毛球桿是受力的主要部件。而且在我們打羽毛球的時(shí)候，它會(huì)受到各種力量的影響。因此，在設(shè)計(jì)制造過程中，應(yīng)充分考慮縱向抗彎強(qiáng)度、抗彎剛度和抗拉剛度。由于CFRP具有高比強(qiáng)度和高比模量，我們可以使用高強(qiáng)度的筋線制作出輕巧、堅(jiān)固、不變形的球拍框架。同時(shí)，這種球拍和拍桿具有良好的彈性和阻尼特性，可以使球具有長(zhǎng)的擊球和回球距離和高精度的擊球位置。此外，CFRP還可用于制造羽毛球的羽毛桿。其性能與天然羽毛幾乎相同，但耐用性比天然羽毛強(qiáng)得多。

2.2.2 弓箭

弓箭是近代競(jìng)技體育的一項(xiàng)非常重要的項(xiàng)目。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，世界上最好的弓是碳纖維增強(qiáng)塑料材料制品（簡(jiǎn)稱CFRP），使弓臂能夠承受約50 kg/mm2的彎曲應(yīng)力，使箭具有最高的初速和最長(zhǎng)的射程。同時(shí)，玻璃鋼本身的減振性能和船首的減震器、配件等，使得在射擊的那一刻發(fā)生的瞬態(tài)振動(dòng)能夠迅速停止。如此一來，除了射箭有所改善外，球員的肘部也可以避免震動(dòng)的影響。拉弓放松，要求弓臂具有較高的抗疲勞強(qiáng)度。CFRP在疲勞性能方面首屈一指，是玻璃鋼和金屬材料無法比擬的。因此弓臂的壽命。此外，碳纖維復(fù)合材料還可用于制作箭，尤其是制箭，輕薄、硬而強(qiáng)、偏轉(zhuǎn)小、初速高、命中率高。CFRP也可以作為制造瞄準(zhǔn)具、穩(wěn)定器、剎車片等配件的材料。

2.2.3 自行車

碳纖維復(fù)合材料車架于1986年首次在環(huán)法自行車賽中使用。隨著最近復(fù)合材料車架研發(fā)的增長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料在自行車行業(yè)變得越來越流行，其中輕質(zhì)和高剛度是最重要的。制造出的兼具碳纖維的高性能特性和亞麻纖維的低成本和可再生性的自行車車架，與碳復(fù)合材料框架相比，所有這些都是以較低的成本實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)保持40%的生物含量。車架材料的機(jī)械測(cè)試結(jié)果表明，制造的車架具有與市售的碳、鈦和鋁車架相似或更高的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)具有出色的減振性能。與碳復(fù)合材料框架相比，所有這些都是以較低的成本實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)保持40%的生物含量。

2.2.4 滑雪板

現(xiàn)在，木制滑雪板已經(jīng)被淘汰，取而代之的是基于夾層結(jié)構(gòu)的多元復(fù)合材料，其中碳纖維、凱夫拉纖維（KF）、硼纖維（BF）、碳化硅纖維（SF）和各種滑雪板的晶須完善了他們的表現(xiàn)。這些高端滑雪板，重量適中，滑行平穩(wěn)、快速，轉(zhuǎn)彎靈活，使用壽命長(zhǎng)。

2.2.5 跳高撐桿

在撐桿跳高中撐桿會(huì)出現(xiàn)很大的變形，并且具有在整個(gè)撐桿上儲(chǔ)存和返回能量的高潛力，因此跳高運(yùn)動(dòng)員和撐桿之間的相互作用強(qiáng)烈影響著撐桿的性能。使用玻璃纖維桿為整個(gè)拱頂提供了一種將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能的有效方法。跳馬運(yùn)動(dòng)員通過在特定的能量模式中分配動(dòng)能損失和勢(shì)能增益來達(dá)到一定的高度。另外，采用碳纖維增強(qiáng)塑料并利用特定的纏繞成型技術(shù)制作而成的撐桿有較強(qiáng)的彈性和強(qiáng)度，在運(yùn)動(dòng)員取得較好成績(jī)的同時(shí)， 既能保持撐桿的完整性，又能確保運(yùn)動(dòng)員的安全[7]。

2.2.6 賽艇

在完成劃船時(shí)，盡量減輕負(fù)擔(dān)，保證劃船不受高速運(yùn)動(dòng)的沖擊，是非常重要的。單纖維增強(qiáng)復(fù)合材料難以滿足賽艇綜合性能的要求。于是，人們大膽改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用碳纖維、玻璃纖維、混合纖維復(fù)合材料來滿足要求。碳纖維有一個(gè)典型代表，它是由吉林碳纖維生產(chǎn)廠和南京玻璃纖維研究所生產(chǎn)的，具有“混合效應(yīng)”的性能。但是劃船問題依然存在，比如船體重量超標(biāo)，抗沖擊能力不夠，彈殼碎裂是缺點(diǎn)之一。隨著芳綸纖維的引入和應(yīng)用，設(shè)計(jì)了CF/KF更高水平的混合纖維復(fù)合劃船方案，克服了這種混合纖維的不足，使劃船得到有效改善。本實(shí)用新型將混合纖維應(yīng)用于賽車，具有物理和力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)人們可以獲得獨(dú)特的組合，這是使用單一類型的纖維不容易實(shí)現(xiàn)的。

3 結(jié)語

隨著世界科技和運(yùn)動(dòng)器材的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)器材需要科技支撐已成為共識(shí)?！吧谟谶\(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)需要科學(xué)”已經(jīng)牢牢烙印在我們的腦海中。合成纖維材料是一種新型國(guó)際性發(fā)展材料，從優(yōu)良的特性到可回收利用環(huán)節(jié)中均有可開掘的科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值，合成纖維材料不僅可以滿足高剛度的要求，而且具有良好的抗沖擊性。它既具有高的靜態(tài)強(qiáng)度，又具有良好的動(dòng)態(tài)性能，如疲勞性能、衰減率等。說明了合成纖維材料因其優(yōu)越性能在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，能夠改善運(yùn)動(dòng)器材綜合性能，使得體育事業(yè)向現(xiàn)代化、舒適化、輕便化、科學(xué)化方向發(fā)展。這意味著合成纖維材料在運(yùn)動(dòng)器材中發(fā)揮著不可替代的和日益重要的作用。因此，合成纖維材料在體育領(lǐng)域中器材的開發(fā)和應(yīng)用中有著非常廣闊的前景。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ ?潘利利.面向新材料技術(shù)推動(dòng)體育運(yùn)動(dòng)水平發(fā)展研究[J].粘接，2020，43（8）：72-75.

[2] 李珈騏.現(xiàn)代新材料技術(shù)與體育運(yùn)動(dòng)水平的提高[J].粘接，2019，40（7）：130-132.

[3] 商從政.合成材料面層場(chǎng)地檢測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢體育學(xué)院，2022.

[4] 吳志勇.新型纖維在體育器材中的應(yīng)用[J].體育科技文獻(xiàn)通報(bào)，2012，20（4）：4-8.

[5] 李豫.新型纖維材料在體育器材中的應(yīng)用及性能研究[J].材料保護(hù)，2020，53（10）：179-180.

[6] 王利娥，劉奮山.碳纖維增強(qiáng)塑料在體育運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用研究[J].合成纖維，2021，50（11）：4-8.

[7] 張亞東.碳纖維復(fù)合材料的回收與再利用技術(shù)研究[J].廣東化工，2022，49（10）：26-27.

[8] 冉旭，鄒豪豪，李乾，朱巍巍.鍍層碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備及其性能研究[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43（Z1）：332-340.

[9] 孫少杰.碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].粘接，2022，49（7）：76-79.

[10] ?王昊康.玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].合成纖維，2022，51（11）：40-43.

[11] 陳榮源，趙凌鋒，劉欣，等.玻璃纖維增強(qiáng)增韌回收聚丙烯復(fù)合材料的制備與性能研究[J].塑料科技，2022，50（9）：20-24.

[12] 廖敏會(huì)，楊大祥，周洋，等.玻璃纖維布基多層復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的制備及其性能[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2022，11（10）：3090-3099.

[13] 趙志強(qiáng)，劉忠，徐艷.玻璃纖維及其復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].天津造紙，2021，43（4）：15-21.

[14] 劉銀.氮化硼纖維微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2021.

[15] 姜晨旭.氮化硼纖維的細(xì)觀有限元建模及力學(xué)性能的預(yù)測(cè)[D].重慶：重慶大學(xué)，2020.

[16] 齊學(xué)禮，高惠芳，李茹等.氮化硼纖維抗水蝕性研究[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2018，39（4）：280-286.

[17] 宿金棟.碳化硅纖維及其復(fù)合材料的制備與性能研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2020.

[18] 王鈺婷.變溫環(huán)境下碳化硅纖維導(dǎo)熱性能研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2021.

[19] 蔡興瑞.碳化硅纖維增韌碳化硅復(fù)合材料微觀建模和宏觀模量預(yù)測(cè)[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[20] 向宇，余金山，王洪磊等.碳化硅纖維高溫抗氧化性研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2022，41（9）：3234-3242.

[21] ?王爽芳，王卉，王發(fā)陽(yáng).超高分子量聚乙烯纖維模量影響因素研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2022，47（2）：38-43.

[22] 張玉波，王利娟.新型高科技合成纖維性能優(yōu)勢(shì)及其對(duì)泛運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域影響分析[J].粘接，2021，47（7）：4-9.

[23] 劉悅銘.合成纖維在現(xiàn)代裝置藝術(shù)中的應(yīng)用研究[D].西安：西北大學(xué)，2018.

[24] 朱亮亮.福建地區(qū)合成材料運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地面層中固體原料的檢測(cè)與分析[J].福建建材，2019（7）：20-21.

[25] 許春燕.體育場(chǎng)館建筑的材料力學(xué)性能分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（24）：159-162.

[26] 俞森龍，相恒學(xué)，周家良，等.典型高分子纖維發(fā)展回顧與未來展望[J].高分子學(xué)報(bào)，2020，51（1）：39-54.