基于纖維增強復合材料在體育器材上的應用

楊磊

摘要：由于我國經(jīng)濟得到了長足的發(fā)展，物質(zhì)需求得到了極大的改善，已經(jīng)基本滿足人們的生存需要。因此，當前人們的追求不再是基本的溫飽，而更多的是對一種高質(zhì)量、健康的生活的追求。而在健康的生活的追求上，運動是高質(zhì)量生活的重要組成部分。人們對于運動的重視程度以及需求程度越來越高。這一核心原因?qū)е铝梭w育器材這一運動領(lǐng)域中的分支也得到了很大的發(fā)展。尤其是在競技體育中，要想實現(xiàn)更高、更快、更強，除了人自身素質(zhì)和能力的提高，包括體育器材在內(nèi)的運動相關(guān)科學技術(shù)也起到了關(guān)鍵的作用。高科技技術(shù)下的纖維復合材料由于其重量輕，強度高等顯著特點，在體育器材中得到了廣泛的使用。本文針對纖維增強復合材料，闡述了纖維復合材料常用的典型種類，分析了纖維復合材料在體育器材中應用的優(yōu)勢以及當前應用現(xiàn)狀進行了研究。

關(guān)鍵詞：復合材料;纖維增強復合材料;體育;體育器材

中圖分類號：TQ340.42文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0136-03

引言

由于改革開放，我國經(jīng)濟、科技等各方面都得到了長足的進步。人們的溫飽這一基礎(chǔ)的生存物質(zhì)需求已經(jīng)基本得到了滿足。現(xiàn)在人們追求的是更好、更健康的生活。這一追求的轉(zhuǎn)變，直接促進了運動領(lǐng)域的飛速發(fā)展。由對健康的重視，促進了運動領(lǐng)域的發(fā)展;運動領(lǐng)域的發(fā)展，又導致相關(guān)的運動器材等細分領(lǐng)域的茁壯成長。此外，如奧運會等高水平的競技體育已經(jīng)成為一個國家展示綜合國力的重要途徑。因此，與運動健康相關(guān)，尤其是與競技體育相關(guān)的體育器材類產(chǎn)業(yè)得到了驚人的發(fā)展。一方面，大規(guī)模的高質(zhì)量體育器材有助于安全可靠的全民運動的開展;而在競技體育領(lǐng)域，作為除了個人體質(zhì)、專業(yè)技能訓練之外最為重要的促進體育競技水平提高的因素，先進的體育器材能夠顯著提高某項運動的綜合成績。想要在某項運動中確保安全，或?qū)崿F(xiàn)更高、更快、更強的目標，有必要持續(xù)對相關(guān)的體育器材進行升級換代。而體育器材的眾多影響因素中，其材質(zhì)是最為基礎(chǔ)也是最為重要的影響因素之一。在眾多材質(zhì)中，纖維增強復合材料由于顯著的質(zhì)量輕，強度高等優(yōu)點，在體育器材中得到了最大范圍的應用，并且仍舊處在不斷的研究與改進中，是可見的體育器材材質(zhì)應用的一種潮流與趨勢。

1在體育器材中應用纖維增強復合材料的長處

1.1質(zhì)量輕

除了例如舉重之類的對于器材的質(zhì)量有特殊要求的運動，絕大多數(shù)的運動對于器材的質(zhì)量要求都是越輕越好。器材質(zhì)量越輕，運動人員越能夠發(fā)揮出更好的運動水平。這是因為大多數(shù)的運動都是依靠人力或機械、自然動力驅(qū)使，而這些運動大多追求的都是速度、距離等，而質(zhì)量對于這些目標都起到的是阻礙性副作用。因此，大多數(shù)體育運動對于器材的要求是質(zhì)量越輕越好。傳統(tǒng)的體育器材的材質(zhì)大多數(shù)是金屬、木材、竹子等，而相比于這些，纖維增強復合材料有著相同體積密度小、質(zhì)量輕的顯著優(yōu)勢。例如相比于傳統(tǒng)的金屬高爾夫球桿，相同性能參數(shù)的碳纖維材質(zhì)球桿的質(zhì)量只有金屬的50%甚至更低，質(zhì)量明顯輕于金屬球桿。

1.2機械性能優(yōu)異

作為體育運動的直接輔助手段，所有的體育器材都要求有一定的強度、韌性等方面的要求，一些項目甚至器材的相關(guān)機械性能的好壞直接決定了運動人員的成績。最為典型的實例就是撐桿跳。對于撐桿跳這一運動，桿的性能對于運動員的成績起到了決定性的作用。在桿的長度等方面有限制的情況下，桿的強度、韌性以及抗震能力等機械性能的好壞又是決定桿質(zhì)量高低的關(guān)鍵因素。撐桿的材料經(jīng)歷了木桿、竹桿、金屬桿、到如今的纖維材質(zhì)桿。由于纖維復合材質(zhì)具有優(yōu)越的強度高、韌性好等特質(zhì)，纖維復合材質(zhì)的桿的使用，使得撐桿跳的成績相比于從前有了顯著的提升。

1.3可設(shè)計性、可制造性優(yōu)異.經(jīng)濟環(huán)保

纖維復合材質(zhì)由于屬于人工合成材料，其生產(chǎn)工藝能夠隨著人們對于體育器材的要求的發(fā)展而進行實時更新，不像其他天然材料受到其本質(zhì)性能的影響，設(shè)計加工都存在著一定的局限性。并且隨著生產(chǎn)工藝的進步，纖維復合材質(zhì)的設(shè)計、加工成形會越來越便利。因此，由于纖維復合材質(zhì)優(yōu)異的可設(shè)計性和可制造性，纖維材質(zhì)的器材的生產(chǎn)以及使用中的維護可以隨著各種特殊的需求而改進。此外，隨著大規(guī)模批量化生產(chǎn)工藝的實現(xiàn)，對于大眾性質(zhì)的纖維復合材質(zhì)器材的生存加工及維護成本相比于采用傳統(tǒng)天然材質(zhì)來說要低，經(jīng)濟性優(yōu)越。最后，纖維復合材質(zhì)大多屬于環(huán)保類，并且對于一些例如熱塑性復合材質(zhì)為主體的體育器材具有優(yōu)良的回收再利用特性。綜上所述，纖維復合材質(zhì)的體育器材在設(shè)計、生產(chǎn)、經(jīng)濟性以及環(huán)保性等方面有著優(yōu)異的特性。

2纖維增強復合材料的典型種類

2.1無機纖維類

在龐大的纖維復合材質(zhì)族群中，其中重要的組成部分辨識無機纖維類。無機纖維又可分為玻璃纖維、碳纖維、硼纖維以及碳化硅纖維等。

玻璃纖維應用較早，也是應用廣泛的纖維復合材質(zhì)之一。傳統(tǒng)的玻璃材質(zhì)雖然容易碎，但是當玻璃被一定的工藝抽成直徑以微米為衡量單位的玻璃絲狀物時，卻具備了很高的強度以及韌性。玻璃纖維單絲配合樹脂等介質(zhì)，幾百上千根單絲形成纖維原絲，而后通過一定的工藝形成體育器材，這一材質(zhì)的體育器材具有顯著的強度大、彈性模量大，穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性。因此，玻璃纖維在體育器材領(lǐng)域得到了廣泛的應用。美國的歐文斯科寧以及中國的巨石玻纖都是主流的玻璃纖維生產(chǎn)廠家。

碳纖維也是當前最受關(guān)注、應用最為廣泛的纖維復合材質(zhì)之一。碳纖維是通過瀝青等基材通過一系列的處理工藝形成的具有85%以上含碳量的纖維材質(zhì)。碳纖維之所以能廣泛應用，其最根本的原因就是其擁有極其優(yōu)異的性能。首先，碳纖維材質(zhì)的比重比金屬鋁輕，僅僅是鋼材質(zhì)的25%，但是他的比強度卻能達到鐵的幾十倍。且它的耐熱性能優(yōu)異，化學穩(wěn)定性能優(yōu)異。因此，碳纖維的研究與生產(chǎn)得到了全世界的重視，其中日本、美國的投入與研究最多，特別是在棒球棒的領(lǐng)域應用廣泛。

硼纖維是一種重要的技術(shù)含量很高的纖維之一。硼纖維主要是以石英等為芯材，通過氣相沉積方法制得。硼纖維的特性就是強度高、彈性模量高，主要用于增強樹脂和金屬類材質(zhì)。例如，硼纖維增強環(huán)氧樹脂就是用來生產(chǎn)高強度的體育器材的最為合適的材料之一。

碳化硅纖維是一種耐熱性極其優(yōu)異的材質(zhì)，能夠承受上千度的高溫，再加上纖維材質(zhì)的高強度、高韌性的特質(zhì)，碳化硅纖維在一些抗沖擊要求高的體育器材中應用廣泛。

2.2高強高模合成纖維

高強高模合成纖維是除無機纖維以為的又一大類的新興纖維復合材質(zhì)，主要分為芳香族聚酰胺纖維、超高模量聚乙烯纖維以及混雜纖維三種。

芳香族聚酰胺纖維主要通過溶液法進行制得，除了纖維材質(zhì)所具有的強度高、韌性好、穩(wěn)定性高等特質(zhì)，其彈性模量能夠達到玻璃纖維的兩倍，是一種技術(shù)含量很高的纖維材質(zhì)，其生產(chǎn)性價比很高。

超高模量聚乙烯纖維與其他纖維材質(zhì)相比，其綜合機械性能都有顯著的提升，強度更高、韌性更好、穩(wěn)定性更高等，但是其生產(chǎn)加工要求比較高。因此，這一纖維材質(zhì)在一些重要的核心領(lǐng)域中都有著廣泛的應用。

混雜纖維顧名思義就是將兩種或以上的纖維進行混合而形成的材質(zhì)，能夠具備兩種纖維的特性，綜合性能優(yōu)異。此纖維的另一個優(yōu)勢就是能夠通過混雜技術(shù)，使得纖維具備獨特的性能，一方面是獲得單一的纖維種類無法具備的特性，一方面也能通過成本低的纖維來實現(xiàn)對成本高的纖維的取代，提升纖維材質(zhì)的經(jīng)濟性。

3纖維增強復合材料在體育器材領(lǐng)域的應用情況

由于纖維增強復合材質(zhì)有著傳統(tǒng)材質(zhì)難以比擬的綜合性能，再加上纖維生產(chǎn)工藝的提升，生產(chǎn)成本的降低等原因，纖維增強復合材質(zhì)已經(jīng)在航空航天、交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。而由于體育運動受到的關(guān)注越來越多，纖維增強復合材質(zhì)在體育器材領(lǐng)域也得到了全面而深入的應用。國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)都在加大對纖維復合材質(zhì)在體育器材領(lǐng)域應用的研究與投入。以下將對部分典型應用進行介紹。

3.1碳纖維材質(zhì)在自行車領(lǐng)域的應用

早在上世紀八九十年代，西方國家就已經(jīng)開始將碳纖維復合材質(zhì)應用到自行車車架的設(shè)計和制造當中。這一碳纖維材質(zhì)所制成的自行車，其強度可以達到傳統(tǒng)金屬材質(zhì)的幾倍，但是其質(zhì)量卻較傳統(tǒng)金屬材質(zhì)自行車能夠輕不少。因此，這一技術(shù)一經(jīng)推出，就得到的廣泛的關(guān)注與追捧。碳纖維所制成的自行車迅速取代了自行車競賽中傳統(tǒng)的金屬自行車，也大大提高了自行車競賽的成績水平。當前，對于大規(guī)模批量生產(chǎn)，主要采用的是樹脂傳遞模塑的生產(chǎn)工藝。

3.2纖維增強復合材質(zhì)在羽毛球拍和網(wǎng)球拍中的應用

日本在上世紀70年代就有了使用碳纖維材質(zhì)制造羽毛球桿的案例。而美國則是開啟了使用纖維增強樹脂材質(zhì)進行網(wǎng)球拍制作的先河。相比于傳統(tǒng)的球拍材質(zhì)，采用纖維復合材質(zhì)所制成的羽毛球拍和網(wǎng)球拍，首先第一個好處就是質(zhì)量輕，有利于運動人員的擺臂發(fā)力。其次，纖維復合材質(zhì)優(yōu)異的延展性等機械性能，能夠保證球拍能夠經(jīng)受長時間的使用，且有利于實現(xiàn)運動人員的技術(shù)水平。此外，纖維復合材質(zhì)有著優(yōu)異的減振特性，從而使得球拍的使用過程中，運動人員能夠感受到較小的振動沖擊效應，手感更為舒服。

3.3纖維復合材質(zhì)在賽艇運動中的應用

眾所周知，賽艇這一追求速度的運動，對于賽艇的性能有著嚴苛的要求。以前由于傳統(tǒng)的賽艇材質(zhì)的限制，賽艇顯得又笨重，流水阻力又大。針對賽艇運動要求賽艇質(zhì)量輕，強度要高防止被水流沖毀，流線型形狀穩(wěn)定性要強，防止賽艇變形增大流水阻力這些嚴苛的要求，當前最為主流的賽艇制造工藝就是采用混雜纖維增強復合材質(zhì)作為賽艇的主用材質(zhì)。通過利用混雜纖維的高強度、高穩(wěn)定性以及低密度等單一纖維無法具備的優(yōu)異的綜合性能，完美的解決了賽艇運動對于賽艇的嚴苛要求。這一創(chuàng)新性舉措早在上個世紀七十年代就由西方國家?guī)恚衲陙砦覈嚓P(guān)企業(yè)在此領(lǐng)域也得到了長足的進步，取得了不俗的成績。

4總結(jié)

隨著人們對于健康生活的追求，運動越來越受到全民的關(guān)注與參與。相應的體育器材也得到了長足的發(fā)展，并且未來發(fā)展的空間巨大。為了滿足廣大用戶的運動需求，以及競技體育的高水平要求，纖維增強復合材質(zhì)以其密度低、強度高，韌性好，穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性，在體育器材領(lǐng)域得到了廣泛的應用和研究，并且還有著不斷擴展和深入的應用趨勢，值得我們投入更多的成本與精力進行研究。