體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地用合成材料面層的沖擊吸收性能研究

杜逸帆

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 青島 266109）

合成材料是指經(jīng)過化學(xué)方法加工，將相關(guān)原材料進(jìn)行化學(xué)合成而形成的一種人共材料。當(dāng)前，常用的合成材料主要有三大類，分別為橡膠、塑料和合成纖維。隨著合成材料的逐漸發(fā)展以及其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是將其運(yùn)用到體育運(yùn)動(dòng)的各種場(chǎng)地中，例如塑膠跑道、籃球場(chǎng)地等，不僅對(duì)于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的發(fā)展有極大的促進(jìn)作用，更對(duì)運(yùn)動(dòng)員的人身安全起到了重要的保護(hù)作用。作為體育場(chǎng)地用的合成材料需要具有優(yōu)異的沖擊吸收性能，才能得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于合成材料的沖擊吸收性能，通常采用沖擊吸收系數(shù)FR進(jìn)行表征。大量的研究證明，只有合成材料面層的沖擊吸收系數(shù)在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，才能對(duì)于運(yùn)動(dòng)員起到較好的保護(hù)作用，并有利于運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的提高，當(dāng)沖擊吸收系數(shù)超出或者低于這一范圍，則不利于體育活動(dòng)的開展。為此，本文針對(duì)體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地用合成材料面層的沖擊吸收性能的相關(guān)研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述，希望對(duì)于合成材料面層未來在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地中的運(yùn)用研究起到一定的參考作用。

1 合成材料面層

有機(jī)高分子材料的沖擊韌度值通常較高，在吸收沖擊能量、降低沖擊波振幅、減小沖擊破壞等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此，在較大的沖擊載荷下能夠起到很好的緩沖和防護(hù)作用，在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地中被廣泛運(yùn)用[1]。聚氨酯材料具有較好的耐候性、抗壓強(qiáng)度和平整性，且其沖擊吸收性能較好，因此，被用于體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的鋪設(shè)中，不僅有較好的體驗(yàn)感，而且還能對(duì)運(yùn)動(dòng)員起到一定的保護(hù)作用，是目前被用于體育場(chǎng)地中較多的合成材料面層[2-4]。

合成材料面層的結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，分別為底膠層與面膠層，其制備過程中所用的原料大致相同，只在原料的配比和制備方法上有所區(qū)別。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地建設(shè)過程中，合成材料面層運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的鋪設(shè)通常有兩種方式，一種是將制備合成材料面層的原料在鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混合，然后直接鋪于混凝土基層，另一種方式是，將制備好的合成材料面層用粘合劑等粘到混凝土基層上，目前幾乎所有的體育跑道均用合成材料面層進(jìn)行表面鋪設(shè)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及研究的不斷擴(kuò)大，各種各樣的合成材料面層不斷涌現(xiàn)，根據(jù)體育場(chǎng)地中鋪設(shè)的合成材料面層的種類，可以將體育場(chǎng)地細(xì)分為全塑型、復(fù)合型和混合型三種類型。全塑型的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地造價(jià)高，但是各項(xiàng)性能均較好，因此被廣泛應(yīng)用于體育賽事中。而其他兩種類型的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地相對(duì)于全塑型的來說性能指標(biāo)較差，但是其價(jià)格低廉、性價(jià)比高，因此受到普遍應(yīng)用。當(dāng)然任何一種合成材料面層體育場(chǎng)地的使用都要符合一定的鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)，包括其外觀、物理性能等各方面的檢測(cè)，只有各個(gè)方面的性能全部達(dá)標(biāo)才能進(jìn)行使用。在合成材料面層的各項(xiàng)性能中其物理性能至關(guān)重要，檢測(cè)的項(xiàng)目主要有拉伸強(qiáng)度、沖擊吸收性能等，而沖擊吸收性能是關(guān)系到其運(yùn)用到體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的關(guān)鍵指標(biāo)。

2 合成材料沖擊吸收性能測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)法測(cè)定沖擊吸收性能

徐靜怡等在南京理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了復(fù)合材料彈道貫穿測(cè)試，對(duì)合成材料對(duì)位芳族聚酰胺纖維的抗沖擊性能進(jìn)行了研究。該實(shí)驗(yàn)觀察了受到?jīng)_擊后對(duì)位芳族聚酰胺纖維的破壞情況，對(duì)位芳族聚酰胺纖維在受彈擊面發(fā)生了明顯的基體開裂和凹陷，且對(duì)位芳族聚酰胺纖維的彈道沖擊破壞發(fā)生于材料的局部，說明合成材料對(duì)位芳族聚酰胺纖維有較好的沖擊吸收性能[5]。徐秋月等利用低速?zèng)_擊測(cè)試裝置對(duì)聚氨酯泡沫等三種緩沖材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，探索了緩沖材料的抗壓縮能力與沖擊能量吸收性能之間的關(guān)系并得出結(jié)論，緩沖材料的壓縮性能對(duì)材料的沖擊吸收性能有一定程度的影響[6]，即具備一定壓縮性能的合成材料會(huì)其沖擊吸收性能會(huì)受到影響。這些研究均促進(jìn)了合成材料在體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的運(yùn)用和發(fā)展。

2.2 數(shù)值模擬法測(cè)定沖擊吸收性能

試驗(yàn)法在材料沖擊吸收性能的測(cè)定過程中受到很多因素的影響，有一定的局限性，在復(fù)雜的力學(xué)問題中其應(yīng)用有較大的困難。

1956年，Turner提出了有限元的概念，有限元理論得到迅速的推廣和應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以有限元為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬法迅速發(fā)展，并逐漸被用于復(fù)雜的力學(xué)問題方面的研究。練軍等通過在合成材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立有限元模型，研究了合成材料的彈道沖擊性能。他們利用Ls-Dyna求解器對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到合成材料受到彈道沖擊后的破壞模式圖，并與實(shí)際彈道沖擊后的結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)兩者的一致性符合要求，確定了有限元模型在合成材料的沖擊吸收性能測(cè)定過程中精確性較高[7]。國(guó)外的研究專家Baroud 通過創(chuàng)建現(xiàn)有運(yùn)行軌跡的三維有限元模型，表征了運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)際載荷作用下合成材料面層運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的相關(guān)能量[8]。杜梅等[9]通過有限元建模分析研究了空芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能，他們分析了纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)材料抗沖擊性能的影響并得出結(jié)論，一般情況下，材料的抗沖擊性能與纖維體積分?jǐn)?shù)呈正比的關(guān)系。通過該研究我們不難發(fā)現(xiàn)，纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)于合成材料的沖擊吸收性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。國(guó)外研究者Andena采用數(shù)值模擬法，通過開發(fā)一種新的三維模型有效地預(yù)測(cè)了合成材料面層運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的沖擊吸收系數(shù)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，確定了三維模型對(duì)于沖擊吸收系數(shù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

吳紅儒等對(duì)合成材料面層運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地沖擊吸收性能進(jìn)行了研究，他們按照一定的試驗(yàn)規(guī)范，測(cè)定了復(fù)合型和混合型合成材料試樣的沖擊吸收系數(shù)，利用ANSYS Workbench建立了沖擊吸收實(shí)驗(yàn)三維數(shù)值模型，對(duì)上述兩種類型的合成材料式樣進(jìn)行了沖擊吸收試驗(yàn)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。并采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)蜂窩狀結(jié)構(gòu)的混合型合成材料展開數(shù)值模擬，將獲得的沖擊吸收系數(shù)與混合型合成材料進(jìn)行對(duì)比，探究了蜂窩狀結(jié)構(gòu)對(duì)合成材料沖擊吸收系數(shù)的影響。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬法和沖擊吸收實(shí)驗(yàn)三維數(shù)值模型的準(zhǔn)確性[10]。

實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法在合成材料沖擊吸收性能研究過程中會(huì)有一定的局限性，將二者結(jié)合起來進(jìn)行研究的開展工作已經(jīng)是科研常用的方式，因此，在未來的研究過程中可以采用二者結(jié)合的方式進(jìn)行合成材料沖擊吸收性能的研究。

3 原料對(duì)合成材料面層沖擊吸收性能的影響

合成材料的物理化學(xué)性能主要由其本身組成的原料決定，不同的合成材料由于其原料種類的不同、原料配比的不同而表現(xiàn)出不同的性能。本節(jié)主要介紹原料對(duì)合成材料沖擊性能的影響研究。

Dhakal等研究了大麻纖維對(duì)合成材料沖擊性能的影響。他們分別對(duì)含有不同體積分?jǐn)?shù)大麻纖維的合成材料試件進(jìn)行了沖擊響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并與采用相同體積分?jǐn)?shù)的大麻纖維對(duì)同樣的材料進(jìn)行纏繞的試件進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明了采用大麻纖維作為加固材料，能夠提高合成材料的沖擊吸收性能[11]。夏艷麗等以硼酸和硅油等為原材料制備了一種高分子材料剪切增稠凝膠，研究了其物理化學(xué)性能，他們將該種剪切增稠凝膠通過“浸漬-干燥”的方式與聚氨酯材料進(jìn)行復(fù)合，通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料的抗沖擊性能。并與復(fù)合前后的聚氨酯材料的抗沖擊性能進(jìn)行對(duì)比，證明了在剪切增稠凝膠與聚氨酯材料復(fù)合后增強(qiáng)了聚氨酯材料的抗沖擊性能[12]。楊昶等采用單因素實(shí)驗(yàn)的方法，研究了異氰酸酯、交聯(lián)劑、泡沫穩(wěn)定劑、固化劑、錫類催化劑、發(fā)泡劑、胺類催化劑等對(duì)合成材料沖擊性能的影響[13]。他們通過實(shí)驗(yàn)證明了，這些原料的加入以及用量的不同會(huì)對(duì)合成材料的沖擊性能產(chǎn)生不同程度的影響。

綜上，為了改善體育場(chǎng)地合成材料面層的沖擊吸收性能，可以通過實(shí)驗(yàn)的方法找出合適的原料配比以及添加方式，從而提高運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的使用效果。

4 結(jié)語

體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地合成材料面層的沖擊吸收性能關(guān)系到運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)以及人身安全，因此，開展合成材料面層沖擊吸收性能的研究具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法對(duì)于合成材料沖擊吸收性能的研究適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在未來的研究過程中，積極探索兩種實(shí)驗(yàn)方法，建立數(shù)值模型，展開對(duì)體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地合成面料層的研究工作，將帶來很高的社會(huì)價(jià)值。