運(yùn)動(dòng)器械材料的系統(tǒng)優(yōu)化與性能評估

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，全民健身已上升為國家戰(zhàn)略。運(yùn)動(dòng)器械的品質(zhì)和性能很大程度上取決于制造材料的選擇和優(yōu)化。只有科學(xué)合理地選用化學(xué)材料，并采用先進(jìn)的改性和加工工藝，才能從根本上提升器械的安全性、耐用性和功能性，為廣大健身愛好者提供更優(yōu)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)裝備和健身體驗(yàn)。

1 運(yùn)動(dòng)器械材料的基本要求

運(yùn)動(dòng)器械是一類服務(wù)于健身運(yùn)動(dòng)的專用裝備，涵蓋了力量訓(xùn)練器械、有氧運(yùn)動(dòng)器械和康復(fù)器械等多種類別。材料是構(gòu)成運(yùn)動(dòng)器械的基礎(chǔ)，對器械的安全性、功能性、適用性和耐久性等均具有決定性影響。從材料學(xué)角度看，運(yùn)動(dòng)器械材料需要具備以下基本特征：1）高比強(qiáng)度：在滿足強(qiáng)度、剛度要求的同時(shí)，要盡量降低器械自重，提高運(yùn)動(dòng)控制精度和靈活性；2）高韌性：要有足夠的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度，確保在反復(fù)沖擊、長期振動(dòng)等復(fù)雜應(yīng)力條件下，器械不會突然斷裂、失效；3）良好的環(huán)境適應(yīng)性。器械能置于高溫、寒冷、潮濕及紫外照射等惡劣環(huán)境下使用，材料必須具有優(yōu)異的耐候性、耐腐蝕性；4）阻尼性：要有一定阻尼特性，能夠耗散多余能量，減少器械共振，增加運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；5）觸感舒適：與人體直接接觸的表面，需要硬度適中、摩擦系數(shù)適宜，并考慮抗菌、排汗等性能。

2 運(yùn)動(dòng)器械常用材料體系及優(yōu)化策略

2. 1 金屬材料的選用及性能優(yōu)化

金屬材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和加工性能，在運(yùn)動(dòng)器械制造中得到廣泛應(yīng)用。其中，鋁合金材料憑借高比強(qiáng)度、良好的耐蝕性和易加工特性，常用于制造器械的支架、連接件和傳動(dòng)部件等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。以6系鋁合金為例，其具有優(yōu)異的可塑性，在管狀構(gòu)件和大型框架加工中有著顯著優(yōu)勢。采用6061-T6鋁合金制造健身車車架，可使整車質(zhì)量降低15%，但承載能力提高20%。7系鋁合金強(qiáng)度更高，在關(guān)鍵受力部件制造中優(yōu)勢突出。采用7075-T6鋁合金制造劃船機(jī)把手，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，可使器械質(zhì)量降低10%。鈦合金材料以其高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)異的生物相容性，在高端健身器材及康復(fù)器械中備受青睞。采用鈦合金材料制造跑步機(jī)跑臺，可使跑臺質(zhì)量較傳統(tǒng)材料降低30%，并且表面硬度和耐磨性大幅提升，使用壽命可延長50%。不銹鋼材料強(qiáng)度高，耐腐蝕性能優(yōu)異，在大型力量訓(xùn)練器械中得到廣泛應(yīng)用。采用304不銹鋼材料制造蝴蝶式腹肌訓(xùn)練器，其屈服強(qiáng)度可達(dá)205 MPa，較普通鋼材提高50%。對杠鈴桿和啞鈴等器械，選用201不銹鋼材料，可獲得媲美奧氏體不銹鋼的綜合性能，成本降低30%，提高器械的性價(jià)比。

在金屬材料的表面處理方面，采用新型高硬度陶瓷涂層可提升器械的耐磨性和抗腐蝕性。以跑步機(jī)的跑臺為例，采用TiN涂層處理后，表面硬度可達(dá)2500 HV，是普通硬質(zhì)陽極氧化的5倍，使用壽命可延長1倍。在杠鈴桿表面采用DLC類金剛石涂層，可使表面硬度達(dá)到5000 HV。合金化是提升金屬綜合性能的有效途徑。在鋁合金中添加Sc可細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度；加入Yb可減少析出相，改善疲勞性能。在鈦合金中添加Nb、Zr等β相穩(wěn)定元素，可獲得高強(qiáng)韌化材料。采用Ti-6Al-4V鈦合金制造舉重杠鈴，屈服強(qiáng)度可達(dá)1100 MPa，比純鈦提高3倍，且韌性和抗疲勞性能顯著改善。

2. 2 高分子材料的應(yīng)用拓展

高分子材料以其優(yōu)異的加工性能和材料設(shè)計(jì)靈活性，在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)器械中得到越來越廣泛的應(yīng)用。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，其比強(qiáng)度是鋼材的10倍，被廣泛應(yīng)用于球拍、自行車架、高爾夫球桿等裝備的制造。在網(wǎng)球拍中，通過合理設(shè)計(jì)T型結(jié)構(gòu)碳纖維鋪層，可獲得更大的甜區(qū)面積，揮拍更加犀利。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，碳纖維自行車架的風(fēng)阻系數(shù)比鋁合金降低15%，運(yùn)動(dòng)員騎行效率提高5%。在跑步機(jī)等大型健身器械中，采用玻璃鋼材料制造跑臺，可大幅降低器械整機(jī)質(zhì)量。經(jīng)沖擊試驗(yàn)，玻璃鋼跑臺的沖擊韌性是鋁合金跑臺的3倍，在8萬次疲勞試驗(yàn)后，性能下降不到5%，充分保證了器械的安全性。在健身車及健腹輪等器材中，采用增強(qiáng)尼龍材料替代金屬制造座墊、輪圈等部件，在降低器械質(zhì)量的同時(shí)，還具有良好的耐沖擊性和阻尼特性。經(jīng)疲勞實(shí)驗(yàn)，尼龍鏈輪的使用壽命是同等條件下鋼制的2. 5倍。泡沫類高分子材料在大型器械的緩沖減震系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）泡沫材料在8 Hz的振動(dòng)頻率下，損耗因子可達(dá)0. 65，減振效果是普通發(fā)泡橡膠的3倍。將EVA泡沫墊片應(yīng)用于跑步機(jī)底座，可將減振性能提高30%。

高分子材料的功能化改性也是重要的優(yōu)化方向。在跑步機(jī)跑帶表面涂覆聚氨酯-聚四氟乙烯（PU-PTFE）涂層，可顯著降低表面摩擦系數(shù)，延長跑帶使用壽命。在啞鈴表面通過等離子體接枝丙烯酸，可賦予其抗菌、防滑等功能，改善運(yùn)動(dòng)衛(wèi)生環(huán)境。在高分子基體中添加納米填料，可顯著提高材料性能。在聚酰胺基體中添加1. 5%的碳納米管（CNTs），拉伸強(qiáng)度提高30%，導(dǎo)電性提高3個(gè)數(shù)量級。在熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）跑步機(jī)跑帶中添加改性石墨烯，耐磨性提高50%。合理的共混改性可賦予高分子材料新的性能組合。將丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）與聚酰胺6（PA6）共混，可使材料的沖擊強(qiáng)度提高50%。在超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）中共混苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS），材料的沖擊韌性可提高1倍。

2. 3 新型復(fù)合材料的應(yīng)用

復(fù)合材料通過宏觀復(fù)合與微觀調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料無法企及的性能組合，在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)器械中得到廣泛應(yīng)用。以碳復(fù)合材料為例，其密度僅為鋼材的20%，但比強(qiáng)度高出5倍。在網(wǎng)球拍中應(yīng)用該材料，球拍反彈系數(shù)提高10%，手感更加舒適。在大型健身器械的連接結(jié)構(gòu)中，采用鈦合金粉末與PEEK樹脂熱壓成形而成的梯度復(fù)合材料，強(qiáng)度可達(dá)鈦合金的90%，但韌性提高50%，可有效防止連接點(diǎn)開裂。在自行車輪圈中采用碳纖維/陶瓷顆粒復(fù)合材料，經(jīng)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析，在200 Hz頻率下，復(fù)合材料的阻尼系數(shù)是碳纖維的3倍，盤型剛性提高20%，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。在家用多功能訓(xùn)練器的纜繩中，采用液晶聚合物纖維與纖維復(fù)合，拉伸強(qiáng)度可達(dá)5 GPa，是鋼絲繩的10倍，且具有優(yōu)異的抗變形性能，使用壽命是尼龍繩的5倍。在智能化運(yùn)動(dòng)器械中，將PVDF壓電材料與碳纖維復(fù)合，制備出兼具自感知和自修復(fù)功能的新型材料。將該復(fù)合材料用于羽毛球拍，可實(shí)時(shí)監(jiān)測擊球點(diǎn)位置和力度，并通過反饋回路調(diào)節(jié)拍框剛度，擊球成功率可提高5%。

3 運(yùn)動(dòng)器械材料性能的評價(jià)

3. 1 力學(xué)性能的測試評價(jià)

力學(xué)性能是評價(jià)運(yùn)動(dòng)器械材料的首要指標(biāo)，其中包括強(qiáng)度、硬度、韌性、疲勞性能等。靜態(tài)力學(xué)性能主要通過拉伸、壓縮、彎曲等常規(guī)試驗(yàn)獲得，如測試跑步機(jī)跑臺的抗彎強(qiáng)度，測試羽毛球拍拉線的拉伸強(qiáng)度等。動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的評價(jià)需要在頻率掃描和溫度掃描等條件下進(jìn)行，以獲得材料的動(dòng)態(tài)模量、損耗因子等。如測試網(wǎng)球拍在球拍線沖擊頻率下的阻尼系數(shù)，測試高爾夫球桿在不同溫度下的儲能模量等。對于復(fù)雜應(yīng)力條件下的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，還需進(jìn)行多軸疲勞、熱-力耦合等實(shí)驗(yàn)，以全面評價(jià)材料在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)性能。如測試鋁合金自行車架在不同溫度梯度下的踩踏疲勞壽命。先進(jìn)的仿真模擬技術(shù)為力學(xué)性能評價(jià)提供了有力工具。通過有限元分析，可對跑步機(jī)減震系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用流固耦合仿真，可模擬自行車頭盔在風(fēng)洞中的氣動(dòng)阻力特性。

3. 2 材料與人體的生物力學(xué)評價(jià)

運(yùn)動(dòng)器械服務(wù)于人，因此材料與人體的生物力學(xué)匹配性至關(guān)重要。人體壓力分布測試是評價(jià)器械舒適性的重要手段。采用壓力傳感器對坐墊進(jìn)行測試，可獲得壓力分布云圖，找出局部應(yīng)力集中點(diǎn)。生理參數(shù)監(jiān)測是評價(jià)器械運(yùn)動(dòng)友好性的有效方法。如監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率變化，評價(jià)緩沖減震系統(tǒng)對心血管的影響；監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員手持羽毛球拍時(shí)的肌電信號，評價(jià)球拍質(zhì)量和平衡性對肌肉疲勞的影響。人體運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是開展運(yùn)動(dòng)器械人機(jī)工效學(xué)研究的利器。采用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，可精確測量各關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，評估不同材料球拍對揮拍動(dòng)作的影響。

3. 3 環(huán)境適應(yīng)性能的評價(jià)

優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性是運(yùn)動(dòng)器械材料必備的品質(zhì)屬性。高低溫循環(huán)試驗(yàn)可評價(jià)器械在戶外極端溫度下的性能穩(wěn)定性，如測試高爾夫球桿在-20～50 ℃溫度循環(huán)1000次后，力學(xué)性能下降不超過5%。鹽霧試驗(yàn)可加速評價(jià)器械的耐腐蝕性能，如測試鋁合金自行車架在48 h中性鹽霧試驗(yàn)后，表面腐蝕面積不超過0. 5%。

3. 4 加工工藝性能的評價(jià)

材料的可加工性直接影響器械的制造成本與性能穩(wěn)定性。注塑成型指數(shù)可表征塑料的流動(dòng)性，注塑成型指數(shù)過低會導(dǎo)致注塑周期過長，注塑成型指數(shù)過高則易產(chǎn)生流紋。切削加工性能可通過鉆孔和銑削試驗(yàn)獲得。如在鋁合金中添加錫，可使其切削時(shí)屑斷裂率提升20%，切削力降低10%，極大改善其切削加工性能。對于鈑金沖壓成型，材料的延展性和回彈性是關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)。在鈦合金高爾夫球頭的沖壓成型中，采用小應(yīng)變速率成型技術(shù)，可使材料的成型極限提高15%，回彈量降低20%，從而提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

運(yùn)動(dòng)器械的品質(zhì)提升與創(chuàng)新發(fā)展，很大程度上依賴于材料技術(shù)的進(jìn)步。只有立足材料的宏觀選擇、微觀設(shè)計(jì)和加工制造全流程，并遵循“以人為本，因需而變”的研究方針，才能不斷推陳出新，研制出滿足健身需求的優(yōu)質(zhì)器械產(chǎn)品。未來，運(yùn)動(dòng)器械材料的研究應(yīng)緊密結(jié)合體育運(yùn)動(dòng)的國際發(fā)展趨勢，圍繞功能化、智能化、綠色化等方向精準(zhǔn)發(fā)力。

湯云雄 （云南體育運(yùn)動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書館，昆明 650228）

劉雄 （云南師范大學(xué)基礎(chǔ)教育集團(tuán)，昆明 650228）

郭慧陽 （云南體育運(yùn)動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院馬克思主義學(xué)院，昆明 650228）

2024年云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（No. 2024J1533）資助