體育器材用纖維增強復合材料性能研究

何洪平

（民辦四川天一學院，四川綿竹 618200）

隨著我國改革開放的不斷深化和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的推行，國民經(jīng)濟水平和科技水平都較過去有了很大改善。從改革開放初期的溫飽問題得到滿足，到現(xiàn)在人們追求更好、更健康的生活。我國國民的這一需求的改變，也直接加速了我國體育事業(yè)的發(fā)展，而且國家也很重視全民身體素質(zhì)的提高，為了滿足廣大人民群眾日益增長的體育需求，同時也為了紀念北京奧運會成功舉辦，國務院批準，從2009年起，每年8月8日為“全民健身日”。因為體育事業(yè)的不斷發(fā)展，我國正經(jīng)歷體育大國到體育強國的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變過程中也同時帶動了相關(guān)的運動器材等細分領(lǐng)域的茁壯成長。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)也較過去有了長足的進步，這一方面我國和西方發(fā)達國家的差距也在逐漸減小。大力發(fā)展高質(zhì)量體育器材，一方面有助于我國國民安全有效地鍛煉身體；另一方面，在專業(yè)的競技體育領(lǐng)域，高質(zhì)量的體育器材能夠明顯地提高運動員的綜合成績。例如，高科技的“鯊魚皮”泳衣可以幫助游泳運動員大幅度地提高成績。如何提高目前體育器材的質(zhì)量有很多方面的影響因素，最為重要也是最基礎(chǔ)的影響因素就是體育器材的組成材料。纖維增強復合材料(簡稱FRP)是由增強纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，與基體材料經(jīng)過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。在眾多的體育器材用材料中，纖維增強復合材料因為其質(zhì)量輕和力學性能突出等優(yōu)點，已經(jīng)在先進的體育器材中得到了大范圍的應用［1］。

1 纖維增強復合材料用于體育器材的優(yōu)點

1.1 纖維增強復合材料的質(zhì)量較輕

除了一些對于體育器材的質(zhì)量有嚴格要求的運動項目，例如力量舉和傳統(tǒng)的舉重，其他大多數(shù)情況對運動員使用的體育器材的要求是質(zhì)量越輕越好。體育器材的重量越輕，高水平運動員越能夠?qū)Ｗ⒂诒荣惖陌l(fā)揮，才能更好地激發(fā)自己的潛能，創(chuàng)造出更好的比賽成績。在奧林匹克的比賽中，大多數(shù)的比賽項目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更快速度、更遠的距離等，因為質(zhì)量越大所有慣性也就越大，因此大多數(shù)比賽項目對于器材的要求都是質(zhì)量越輕越好。例如網(wǎng)球項目或者是羽毛球項目，傳統(tǒng)的網(wǎng)球拍或者羽毛球拍大多是金屬材質(zhì)的，在長時間的使用后運動員的負擔較大，而相比于這些傳統(tǒng)材料，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。例如目前國際上流行使用的碳纖維材質(zhì)高爾夫球桿的質(zhì)量只有金屬的一半甚至更低，質(zhì)量明顯輕于金屬球桿。

1.2 纖維增強復合材料的力學性能優(yōu)異

纖維復合材料的物理性相比于它的原材料出現(xiàn)了巨大的變化。通過我國科研人員相關(guān)的實驗結(jié)果表明，纖維復合材料的抗拉強度都要明顯強于普通鋼筋的抗拉強度，一般來說，纖維復合材料抗拉強度要比普通鋼筋的抗拉強度高出了2~10 倍；同時，纖維復合材料在滿足抗拉強度標準值的基礎(chǔ)上，在抗拉實驗中還沒有出現(xiàn)塑性變形。體育器材作為一些比賽項目的必要輔助手段，要求體育器材具有優(yōu)異的力學性能，需要有良好的強度韌性還有抗拉強度。其中最為典型的的比賽項目就是撐桿跳高。對于撐桿跳高這一比賽項目，桿的性能對于運動員的成績起到了決定性的作用。因為比賽對撐桿跳高運動員所用的桿的長度有明確的要求，所以桿的強度、韌性以及抗震能力等力學性能的好壞又是決定桿質(zhì)量高低的關(guān)鍵因素。同時高質(zhì)量的桿還是運動員安全的必要保障。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)具有強度高、韌性好等特質(zhì)，纖維復合材質(zhì)桿的使用，使得撐桿跳高運動員的安全有了保障的同時，撐桿跳高的成績相比于過去也有了明顯的提高。

1.3 纖維增強復合材料具有良好的可加工性和可設(shè)計性

對于一些傳統(tǒng)的體育器材用材料，有的材料因為本身的力學性能差，強度不高且塑性較低，就導致了這些材料很難再進行二次加工和設(shè)計，同時這些材料在運動員使用的過程中一旦發(fā)生破損，對于二次加工和利用也很困難，所以需要更換新的體育器材，造成較高的運動成本。纖維增強復合材料在體育器材中的應用可以很大程度上避免這一問題，纖維增強復合材料在設(shè)計和使用的過程中，能夠盡最大可能地增強設(shè)計的自由性，可以根據(jù)運動者的個性化需求分不同的情況進行體育器材的設(shè)計，這也是纖維增強復合材料的獨特優(yōu)勢。同時纖維增強復合材料的生產(chǎn)和加工成本較低，在一些大眾性質(zhì)的運動器材中的二次維修和替換價格較低，經(jīng)濟實惠。

1.4 纖維增強復合材料良好的環(huán)保性

在我國推動全民健身的過程中，在廣大的社區(qū)和農(nóng)村地區(qū)需要大量的建設(shè)群眾運動用體育器材，在大眾用體育器材的選材方面，就需要考慮到體育器材的環(huán)保性能，體育器材在建設(shè)和使用的過程中不能揮發(fā)出對人體有害的有毒氣體，保證大眾在一個安全環(huán)保的環(huán)境下健身。同時還需要考慮到體育器材的衛(wèi)生情況，要保證體育器材能夠方便清洗并能夠長期使用。纖維增強復合材料，能夠滿足以上幾點要求，纖維增強復合材料的衛(wèi)生性較強，并且部分復合材料可以再回收利用，保證綠色環(huán)保。

2 體育器材常用纖維增強復合材料的種類

2.1 無機纖維材料

在體育器材常用的纖維復合增強材料中，無機纖維材料是其中一個重要的組成部分，無機纖維材料中的玻璃纖維、碳纖維、硼纖維以及碳化硅纖維等常用于體育器材的制造中［2］。

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。

碳纖維也是無機纖維材料之中的一種，同時碳纖維增強復合材料也是目前受到人們關(guān)注最高，研究和應用范圍最廣的無機纖維材料之一。碳纖維增強復合材料之所以能夠得到人們?nèi)绱酥叩年P(guān)注度，其中最關(guān)鍵的因素是碳纖維具有特別優(yōu)秀的性能。碳纖維增強復合材料最突出的一個特點就是比重比金屬要輕很多，在質(zhì)量方面僅僅是傳統(tǒng)鋼材質(zhì)的四分之一，但是碳纖維增強復合材料的比強度卻能達到傳統(tǒng)鋼材的的幾十倍。且它的耐熱性能優(yōu)異，化學穩(wěn)定性能優(yōu)異。

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)高強度體育器材的最為合適的材料之一。碳化硅纖維也是一種耐熱性突出的無機纖維材料，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 高強高模合成纖維材料

在復雜的纖維增強復合材料之中，除了無機纖維材料之外，高強高模合成纖維是又一種的新興的纖維材料，高強高模合成纖維家族主要分為芳香族聚酰胺纖維、超高模量聚乙烯纖維和混雜纖維三種。

芳香族聚酰胺纖維主要的獲取方式是通過溶液法合成，除了一般纖維材料具備的優(yōu)點之外，芳香族聚酰胺纖維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)，生產(chǎn)價值和應用的價值較高。

超高模量聚乙烯纖維最為突出的特點是其綜合機械性能相比于一般的纖維有顯著的提升，超高模量聚乙烯纖維的強度更高、韌性更好、穩(wěn)定性更高等，但是其生產(chǎn)加工要求比較高。

將兩種或兩種以上的纖維進行混合而制備的材料就稱為混雜纖維，混雜纖維的特點是能夠兼具多種纖維的優(yōu)點，綜合性能優(yōu)異?；祀s纖維的另一個優(yōu)勢就是能夠通過混雜技術(shù)，使得混雜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，另一方面也能通過低成本的纖維增強來降低材料整體的生產(chǎn)成本。

3 纖維增強復合材料在體育器材中的應用實例

3.1 纖維增強復合材料在雪上項目的應用

近年來我國民眾對冰雪項目的熱愛程度越來越高，尤其是北京將在2022年舉辦冬季奧林匹克運動會，更是將我國民眾對冰雪項目的熱愛程度提高，尤其是雪上項目，滑雪已經(jīng)成了人民冬季休閑度假的一個重要選擇之一。在滑雪這項體育運動中，滑雪板是最重要的體育器材，滑雪板的質(zhì)量關(guān)系到運動員和普通愛好者的生命安全。傳統(tǒng)滑雪板是木質(zhì)或者是金屬材質(zhì)。傳統(tǒng)木質(zhì)材料的滑雪板，質(zhì)量比較輕，并且價格也相對較低，但是這種木質(zhì)材料的滑雪板容易產(chǎn)生變形受潮等問題，安全性能得不到保障。鋁合金制成的金屬滑雪板是質(zhì)量較為可靠的滑雪板，這一類滑雪板價格相對較高，但是由于這種鋁合金滑雪板對于使用場地就要求，因此它的適應性較低。而纖維增強復合材料的滑雪板，能夠綜合以上兩種材質(zhì)的優(yōu)點，能夠使用于任何雪地場地，并且價格適中，性價比較高，這種滑雪板一般使用PU 或者PVC材料制成，這種材質(zhì)的滑雪板具有一定的彈性，并且伸屈性較強，能夠增強整體的滑板韌度，讓滑板具備一定的張力。

3.2 纖維增強復合材料在自行車項目的應用

在我國提出全民健身的目標之后，自行車除了可以滿足人們通勤上班的目的之外， 同時還有健身和競賽等多種功能，因此人們對其性能的要求也變得越來越苛刻。傳統(tǒng)的自行車都是金屬制的車身，質(zhì)量較大，目前隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展，碳纖維增強復合材料已經(jīng)大范圍應用于自行車項目之中。目前專業(yè)的競賽自行車的車架構(gòu)、車輪及座位支架等部位都是用碳纖維復合材料制作而成，既增加了自行車外觀的美感，也增加了車體的剛性，并使車體具備良好的減振性能；車體的輕質(zhì)性能也有效增加了騎車的舒適性。在這些特性下，由碳纖維復合材料制造的自行車被廣泛應用于各大競賽中［3］。

3.3 纖維增強復合材料在高爾夫項目的應用

二十世紀七十年代，纖維增強復合材料第一次應用在了高爾夫球桿之上［4-5］，替代了傳統(tǒng)的金屬制造的高爾夫球桿，碳纖維增強復合材料的高爾夫球桿比傳統(tǒng)的球桿質(zhì)量稍微重，但是可以夠提升高爾夫出球的初速度，同時由于這種纖維復合材料的設(shè)計自由性較大，因此能夠充分體現(xiàn)設(shè)計師的靈感，幫助提升了高爾夫球的飛行距離和飛行的穩(wěn)定，同時設(shè)計師對于球桿的質(zhì)量尺寸等各個方面進行了改善，進一步提升了高爾夫球桿的整體水平。目前這種碳纖維增強復合材料高爾夫球桿已經(jīng)被高水平運動員廣泛應用。

4 總結(jié)與展望

本文詳細闡述了纖維增強復合材料的特點，體育器材常用纖維增強復合材料的種類以及纖維增強復合材料在體育器材之中的應用實例。在我國現(xiàn)階段的體育器材市場中，纖維增強復合材料已經(jīng)成為一種必不可少的重要材料。在未來體育器材的發(fā)展過程中，相信對于纖維復合材料的使用將會更加廣泛，這也要求相關(guān)的研究人員要不斷加強對纖維增強復合材料的研究與具體應用，從而來滿足現(xiàn)代化的體育事業(yè)發(fā)展需要，使得我國的體育器材行業(yè)可以走在世界前列。