基于碳材料在體育器材中的應(yīng)用

黃珂

摘要：碳材料在我國(guó)各個(gè)行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，體育器材領(lǐng)域也不例外，其優(yōu)越的性能，巨大的潛力，對(duì)于提高體育競(jìng)技成績(jī)有著一定的影響。本文介紹了碳材料在現(xiàn)階段體育器材方面應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和主要技術(shù)，通過(guò)碳材料成熟體育器材的分析，探析碳材料在體育器材中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碳材料;體育器材;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0065-03

隨著世界各類體育競(jìng)技的高速發(fā)展，各國(guó)對(duì)于體育器材的研究越來(lái)越重視，不斷探索各種新材料體育器材來(lái)推動(dòng)體育成績(jī)的提高。碳材料及其各種符合材料在體育器材研發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其耐高溫、高強(qiáng)度、低重量和很好的防腐蝕性能，備受各類體育器材研發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。碳材料的應(yīng)用不僅可以提高各類體育器材的使用舒適性，還能很大程度上提升體育器材的壽命，助推體育事業(yè)的進(jìn)步。

1 碳材料在體育器材應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

早期體育器材應(yīng)用方面，使用較多的都是金屬類材料、木質(zhì)類材料，但是由于這些傳統(tǒng)材料的性能存在的缺陷已經(jīng)越來(lái)越難以適應(yīng)現(xiàn)代體育器材的需要，面對(duì)體育競(jìng)技激烈性的不斷提高，競(jìng)爭(zhēng)難度的不斷擴(kuò)大，新材料體育器材的研發(fā)不斷深入。碳材料體育器材的出現(xiàn)，能夠很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料在體育器材中的缺陷，越來(lái)越受到體育運(yùn)動(dòng)員的喜愛，由于其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為部分體育器材研發(fā)的方向。

1.1碳材料體育器材具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)

在許多的體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目競(jìng)賽中，都希望所使用的體育器材同時(shí)具備質(zhì)量輕以及強(qiáng)度高這兩個(gè)特點(diǎn)，比如網(wǎng)球拍、弓箭、高爾夫球棒、自行車、滑雪板、撐桿等等體育器材。傳統(tǒng)材料很難同時(shí)滿足以上兩個(gè)特點(diǎn)，而碳材料相較于傳統(tǒng)材料在質(zhì)量和強(qiáng)度兩方面能夠同時(shí)達(dá)到很好的效果。碳材料的密度為1.80g/cm³，傳統(tǒng)的金屬材料比如鋼鐵的密度是7.9g/cm³，鋁的密度是2.7g/cm³，碳材料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用的傳統(tǒng)金屬材料，能夠在傳統(tǒng)材料無(wú)法滿足的體育器材上得到很好的應(yīng)用。另一方面，碳材料的強(qiáng)度相較于傳統(tǒng)的體育器材材料非常之高，它是一般鋼鐵材料的3～5倍，是一般木質(zhì)材料的3～4倍強(qiáng)度，非常適合一些需要高硬度的體育器材。碳材料的這兩大特性決定了現(xiàn)代體育器材中碳材料的應(yīng)用地位。

1.2碳材料體育器材具有高自由度設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

碳材料的應(yīng)用是可控可調(diào)節(jié)的，可以根據(jù)碳材料內(nèi)部的含量調(diào)配，設(shè)計(jì)出不同強(qiáng)度不同質(zhì)量的體育器材。根據(jù)部分體育項(xiàng)目中體育器材的特殊需要以及體育運(yùn)動(dòng)員自身年齡、體力的不同專門設(shè)計(jì)出符合要求的碳材料體育器材，這種高自由度設(shè)計(jì)的特點(diǎn)能夠大大提高使用者的器材掌握度，提高競(jìng)技水平。碳材料在體育器材的設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)出滿足不同體育運(yùn)動(dòng)的相應(yīng)器材。通過(guò)控制碳材料在基體內(nèi)的含量，可以對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣可以滿足不同的年齡階段的使用者和不同體力的運(yùn)動(dòng)員的要求。

1.3碳材料體育器材具有高安全性能的特點(diǎn)

碳材料體育器材，特別是碳纖維復(fù)合體育器材中，纖維能夠隨著拉伸力進(jìn)行應(yīng)變，部分纖維出現(xiàn)問(wèn)題也不會(huì)影響整體纖維的作用，能夠在使用中很好的保障在材料破壞時(shí)，不會(huì)馬上導(dǎo)致整體損壞，進(jìn)一步保障運(yùn)動(dòng)員的個(gè)人安全，具有高安全性能。

1.4碳材料體育器材具有長(zhǎng)使用壽命的特點(diǎn)

碳材料經(jīng)過(guò)專業(yè)研究和實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)百萬(wàn)次的疲勞實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果顯示碳材料的強(qiáng)度保留率能夠到達(dá)60%左右，甚至一些性能優(yōu)越的碳復(fù)合材料能夠達(dá)到80%左右，相較于傳統(tǒng)材料鋼材的40%和鋁材的30%，有極大的提高，表現(xiàn)在具體使用過(guò)程中，碳材料的使用壽命比傳統(tǒng)金屬材料的使用壽命大大延長(zhǎng)。

1.5碳材料體育器材具有強(qiáng)尺寸穩(wěn)定性的特點(diǎn)

熱膨脹系數(shù)是材料受到外界熱量影響下，體積或者線度發(fā)生變化的熱物理量，是材料尺寸穩(wěn)定性的物理參數(shù)，能夠反映出材料的尺寸穩(wěn)定性能”。碳材料和碳復(fù)合材料在室溫條件下熱膨脹系數(shù)為負(fù)數(shù)，在200～400℃下碳材料的熱膨脹系數(shù)接近于0，在1000℃下也能很好的保持整體尺寸，由此可見，碳材料體育器材熱膨脹系數(shù)非常小，碳材料體育器材穩(wěn)定性非常高，十分適用一些持續(xù)高溫的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所。

2 碳材料在體育器材中應(yīng)用的主要成型技術(shù)

2.1拉擠成型技術(shù)

拉擠成型技術(shù)主要適用于纖維和織物等復(fù)合材料的成型技術(shù)中，纖維和織物在外力的牽引下，經(jīng)過(guò)浸潤(rùn)、擠壓、加熱固化、切割等一系列工藝得到最終的產(chǎn)品。碳材料通過(guò)拉擠成型技術(shù)在體育器材應(yīng)用中適用于棒材、管材和其他一些中空材料制品，特別是較長(zhǎng)尺寸的體育器材，能夠批量生產(chǎn)，通過(guò)控制內(nèi)部樹脂的含量，可以對(duì)體育器材的力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控，比如弓箭、魚竿、撐桿等等體育產(chǎn)品。

2.2模壓成型技術(shù)

模壓成型技術(shù)指的是在規(guī)定的溫度、壓力條件下，通過(guò)物料置放于特定金屬模腔中進(jìn)行固化成型的一種技術(shù)方法。碳材料運(yùn)用模壓成型技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要生產(chǎn)效率非常高，能夠在大批量體育器材生產(chǎn)中應(yīng)用，另外生產(chǎn)的體育器材尺寸非常精準(zhǔn)，器材表面光滑精致，同時(shí)其生產(chǎn)成本相對(duì)于其他技術(shù)較低，能夠結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代化自動(dòng)機(jī)械生產(chǎn)，生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)性好、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的體育器材。

2.3纏繞成型技術(shù)

纏繞成型技術(shù)通過(guò)專有的纏繞機(jī)，將碳纖維提前浸潤(rùn)并纏繞在固定的模具上，逐步固化成型，在脫去模具形成制品的一種方法。它具有顯著的特點(diǎn)，能夠通過(guò)碳纖維規(guī)律排布，進(jìn)一步擴(kuò)大碳纖維的強(qiáng)度，從而使得制品強(qiáng)度高質(zhì)量輕，同時(shí)這種生產(chǎn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代化穩(wěn)定生產(chǎn)，效率高，成本低，適用于曲面體育器材類產(chǎn)品。

2.4RTM成型技術(shù)

RTM全稱Resin Transfer Molding，指樹脂傳遞模塑成型，它將樹脂放置于密閉的模具中，通過(guò)流動(dòng)、浸潤(rùn)然后固化成形的一種生產(chǎn)工藝。RTM成型能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行形狀進(jìn)行提前設(shè)定，有利于生產(chǎn)不同形狀的體育器材，成型比較便利，而且綜合性能非常強(qiáng)，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染，成本普遍較低，適合自行車和船體的制造。

3 碳材料體育器材應(yīng)用中的實(shí)踐

3.1碳材料高爾夫球桿

碳材料高爾夫球桿歷史由來(lái)已經(jīng)，47年前碳纖維材料就已經(jīng)開始用于高爾夫球桿的制造，隨著技術(shù)的不斷提升，碳材料在高爾夫球桿的研發(fā)升級(jí)過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣。特別是高爾夫球桿的桿頭部位，碳纖維材料應(yīng)用較多，因其具有高自由度設(shè)計(jì)，能夠成型出各種需求結(jié)構(gòu)的材料，有效提高高爾夫球桿的專業(yè)性能。使用碳材料制成的高爾夫球桿還能延長(zhǎng)擊球時(shí)間，加大飛行距離。

3.2碳材料網(wǎng)球拍

網(wǎng)球項(xiàng)目競(jìng)技比賽也是世界運(yùn)動(dòng)中重要的一項(xiàng)體育賽事，網(wǎng)球拍相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)員的另一手臂，在比賽中起到很大的影響因子。相對(duì)于傳統(tǒng)材料而言，碳材料制成的網(wǎng)球拍綜合性能較強(qiáng)，已經(jīng)在高端網(wǎng)球拍領(lǐng)域占領(lǐng)了絕對(duì)的霸主地位。碳材料網(wǎng)球拍還同時(shí)具有強(qiáng)度高和柔韌性強(qiáng)的特點(diǎn)，在使用過(guò)程中不會(huì)變形，還能減小震蕩，提供優(yōu)越的握持感，有利于提高運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平和成績(jī)，促進(jìn)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

3.3碳材料自行車

自行車賽中自行車的性能在很大程度上影響著最終的競(jìng)技成績(jī)，高性能的自行車能為運(yùn)動(dòng)員提供良好的發(fā)揮空間。碳材料在自行車制造中應(yīng)用也是越來(lái)越多，特別是高端自行車、競(jìng)技自行車中，碳材料及其復(fù)合材料普遍應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)材料的自行車，碳材料自行車能夠有效的降低車身重量，減少自行車的阻力，但是在強(qiáng)度方面又有很大的提高。在結(jié)構(gòu)上，碳材料自行車具有良好的外觀和舒適性，安全方面也有大幅度的提高，滿足體育競(jìng)技對(duì)于自行車的各項(xiàng)要求，是現(xiàn)代自行車的發(fā)展方向。

3.4碳材料撐桿

撐桿跳是世界體育競(jìng)技中的重要比賽項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員主要的體育器材就是手中的撐桿，因此撐桿的質(zhì)量和性能直接影響著撐桿跳的競(jìng)技成績(jī)和運(yùn)動(dòng)員的安全保障。撐桿的材質(zhì)經(jīng)過(guò)了木質(zhì)、竹質(zhì)、玻璃纖維到現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的碳材料四個(gè)發(fā)展階段。石墨烯是碳材料中的重要材質(zhì)組成，現(xiàn)階段撐桿主要通過(guò)應(yīng)用石墨烯、碳纖維材料以其他復(fù)合材料，能夠很好的降低撐桿重量，同時(shí)又能提高撐桿的強(qiáng)度和韌性，在撐桿跳體育競(jìng)技中能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員帶來(lái)優(yōu)越的彈性勢(shì)能，提高撐桿跳體育競(jìng)技水平和成績(jī)。

3.5碳材料弓箭

射箭項(xiàng)目也是體育競(jìng)技中傳統(tǒng)的一項(xiàng)賽事，對(duì)于弓箭的要求特別之高，良好性能的弓箭能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供更高的設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，直接提高射箭項(xiàng)目的體育成績(jī)。碳材料制成的弓箭同樣具有高強(qiáng)度輕重量，拉伸強(qiáng)度好，彎曲應(yīng)力強(qiáng)，能夠直接提高弓箭的專業(yè)性能，在設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)距離方面相較于傳統(tǒng)材料有大幅度的提高，同時(shí)又因抗疲勞能力強(qiáng)，能夠使弓箭短時(shí)間內(nèi)多次張弛，提高弓箭的使用壽命，提升運(yùn)動(dòng)員的設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，使運(yùn)動(dòng)員更容易獲得佳績(jī)。

除此之外，碳材料因其具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和性能，在文中體育器材外的其他領(lǐng)域也是應(yīng)用廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

體育競(jìng)技在現(xiàn)代化全球一體的時(shí)代中，已經(jīng)越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的重視，為提高體育競(jìng)技的成績(jī)，各種新材料不斷涌現(xiàn)，不斷豐富體育賽事對(duì)于體育器材的需求。碳材料的出現(xiàn)，已經(jīng)成為了體育器材中的重要角色，因此不斷提高碳材料在體育器材中的研究具有十分重要的意義。