陳 偉 白 燕 朱家強(qiáng) 孟麗紅

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海，201620;2.上海晉飛復(fù)合材料有限公司，上海，201108)

碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用*

陳 偉1白 燕1朱家強(qiáng)2孟麗紅1

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海，201620;2.上海晉飛復(fù)合材料有限公司，上海，201108)

碳纖維及其復(fù)合材料不僅在航天航空、汽車及其他工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且也是體育器材開發(fā)最好的選材之一。介紹碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)應(yīng)用在體育器材方面的優(yōu)勢(shì)以及成型工藝。通過(guò)典型實(shí)例闡述碳纖維這種高新技術(shù)材料運(yùn)用于比賽器械，極大地推動(dòng)了體育運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高。碳纖維及其復(fù)合材料已成為發(fā)展現(xiàn)代體育器材必不可少的新材料之一。

碳纖維，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，體育器材

碳纖維是含碳量很高的無(wú)機(jī)高分子纖維材料，它“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，而強(qiáng)度卻高于鋼鐵。它有四種產(chǎn)品形式:纖維，布料，預(yù)浸料坯和切短纖維。布料指的是由碳纖維制成的織品;預(yù)浸料坯是將碳纖維按照一個(gè)方向一致排列，并將碳纖維或布料經(jīng)樹脂浸漬使其轉(zhuǎn)化成片狀;切短纖維指的是短絲。按照不同的配比，這些產(chǎn)品和樹脂一起應(yīng)用將形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)。當(dāng)前，用來(lái)制造體育運(yùn)動(dòng)器材的新材料主要是復(fù)合材料，而碳纖維復(fù)合材料又是其中的佼佼者。從某種意義來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代競(jìng)技運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)向人類體能極限挑戰(zhàn)的運(yùn)動(dòng)，任何項(xiàng)目世界紀(jì)錄微小的提高往往需要和依賴科技的推動(dòng)。利用新材料提升比賽器材的性能，從而提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的案例屢見(jiàn)不鮮。

1 碳纖維復(fù)合材料用于體育器材的優(yōu)勢(shì)

1.1 質(zhì)量輕

像撐竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車、滑雪板、皮劃艇等靠人力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的體育器材，人們希望其質(zhì)量越輕越好;即使是靠人力以外的其他動(dòng)力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的器材，如賽車、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質(zhì)輕為好。碳纖維復(fù)合材料在此方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其密度為 1.76～1.80 g/cm3，所制復(fù)合材料密度為1.50 ～1.60 g/cm3，而鋼材約為 7.87 g/cm3、鋁材 2.7 g/cm3、鈦材4.5 g/cm3。顯然，CFRP要比金屬材料輕得多。

1.2 高比強(qiáng)度和高比模量

碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度(單位質(zhì)量的強(qiáng)度)和比模量(單位質(zhì)量的模量)分別是杉木的4倍和3倍、梧桐木的3.4倍和4.4倍、鋼材的7～1 2倍和3～5倍。突出的比強(qiáng)度、比模量，使其可用來(lái)制造輕而強(qiáng)和剛而堅(jiān)的各種制品，特別適合于制作體育器材。

1.3 疲勞強(qiáng)度大

碳纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在其制成復(fù)合材料經(jīng)過(guò)百萬(wàn)次循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)后，其強(qiáng)度保留率仍可達(dá)60%，而鋼材為40%，鋁材為30%。耐疲勞強(qiáng)度高，使得體育器材的使用壽命更長(zhǎng)。

1.4 熱膨脹系數(shù)小

碳纖維的熱膨脹系數(shù)在室溫時(shí)幾乎為負(fù)值，當(dāng)溫度為200～400℃時(shí)，其熱膨脹系數(shù)為零;當(dāng)溫度低于1 000 ℃時(shí)，其線膨脹系數(shù)為1.5 ×10－6K－1。

1.5 破損安全性能好

在碳纖維復(fù)合材料中，由于基體的作用，在沿纖維方向受拉時(shí)，各纖維的應(yīng)變基本相同。已斷裂的纖維由于基體傳遞應(yīng)力的結(jié)果，除斷口處不發(fā)揮作用外，其余絕大部分纖維依舊發(fā)揮作用。個(gè)別纖維的斷裂不會(huì)引起連鎖反應(yīng)和災(zāi)難性的急劇破壞，因而破損安全性能很好。

1.6 阻尼性能好

碳纖維復(fù)合材料的聚合物基體具有黏彈性，在基體中和界面上有微裂紋和脫黏的地方還存在著摩擦力，在振動(dòng)過(guò)程中，黏彈性和摩擦力使一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能。因此，其阻尼比鋼和鋁合金大，若采用特定措施還可以使阻尼增大。

1.7 設(shè)計(jì)自由度大

復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展使得設(shè)計(jì)自由度大大提高。纖維復(fù)合材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是各向異性，通過(guò)改變纖維的鋪疊方向和方式，局部增強(qiáng)或增強(qiáng)某一方向的受力狀況;可根據(jù)選手的年齡、性別、技藝水平、體力強(qiáng)弱等不同情況加以設(shè)計(jì)，最大限度地發(fā)揮體育器材的使用效果，這是一般各向同性的金屬材料難以實(shí)現(xiàn)的。

2 碳纖維的產(chǎn)品形式及用于體育器材的主要成型技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可整體成型，這樣可以省掉許多組合型架和裝配型架，降低生產(chǎn)成本。隨著技術(shù)的發(fā)展，體育器材的成型方法很多，主要包括纏繞成型、模壓成型、RTM成型、拉擠成型等技術(shù)。

2.1 纏繞成型技術(shù)

在專門的纏繞機(jī)上，將預(yù)浸料坯均勻、有規(guī)律地纏繞在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的芯模上，最后固化、除去芯模獲得制品。纏繞成型法既適用于制造簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)體，如圓柱體、球體及某些正曲率回轉(zhuǎn)體或筒形制品，也可用于非旋轉(zhuǎn)體部件制造。其顯著特點(diǎn)是能夠按照制品的受力情況將纖維按一定規(guī)律排布，從而充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度，獲得輕質(zhì)高強(qiáng)的制品;在工藝上能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、機(jī)械化生產(chǎn)，并且生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低;其缺點(diǎn)是制品固化后需除去芯模，不適宜于帶凹曲表面制品的制造。用這種方法可以制成高爾夫球桿和釣魚竿。

2.2 模壓成型技術(shù)

模壓成型工藝是在封閉的模腔內(nèi)借助加熱和壓力固化成型復(fù)合材料制品的方法。模壓成型的模具由陰、陽(yáng)模兩部分組成，增強(qiáng)材料一般為短切纖維氈、連續(xù)纖維氈和織物。模壓成型法生產(chǎn)效率高，制品尺寸準(zhǔn)確，表面光潔，特別適用于制造大批量以及精度和重復(fù)性要求比較高的制品。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無(wú)需有損于制品性能的輔助加工(如車、銑、刨、磨、鉆等)，制品的外觀及尺寸的重復(fù)性好。其缺點(diǎn)是:模具設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜，初次投資較高，易受設(shè)備限制。

2.3 RTM成型技術(shù)

RTM(樹脂傳遞模塑，簡(jiǎn)稱RTM)是復(fù)合材料較為常用的一種成型技術(shù)。該技術(shù)是將纖維或預(yù)成坯鋪放到密閉模腔內(nèi)，用壓力將樹脂液注入模腔，浸透纖維或預(yù)成型坯，然后固化，脫模成型制品。RTM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:能夠制造高質(zhì)量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件，無(wú)需膠衣樹脂也可獲得光滑的雙表面;產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高;RTM模具和產(chǎn)品可采用CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，模具制造容易，材料選擇面廣;RTM成型的構(gòu)件與管件易于實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)或制造局部加厚的構(gòu)件，帶芯材的復(fù)合材料能一次成型;RTM成型過(guò)程中揮發(fā)少，有利于保護(hù)勞動(dòng)者及生產(chǎn)環(huán)境。目前一般使用RTM技術(shù)來(lái)批量生產(chǎn)自行車和劃艇的身體部分。

2.4 拉擠成型技術(shù)

用于連續(xù)生產(chǎn)纖維復(fù)合材料型材。拉擠是指纖維束或帶狀織物在外力牽引下，經(jīng)過(guò)浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長(zhǎng)切割，制成具有特定橫截面形狀和長(zhǎng)度不受限制的線型制品的一種方法。它將經(jīng)過(guò)浸漬的連續(xù)纖維通過(guò)具有一定截面形狀的成型模具，在模腔內(nèi)固化成型或在模腔內(nèi)凝膠、出模加熱固化，在牽引機(jī)械拉力作用下可連續(xù)引拔出無(wú)限長(zhǎng)的型材制品。拉擠成型工藝簡(jiǎn)單，效率高;拉擠法制備制品時(shí)，增強(qiáng)纖維沿軸向平行排列，能有效地利用其強(qiáng)度;采用纖維氈增強(qiáng)材料可制備各向同性制品;采用編織帶可提高制品的橫向強(qiáng)度。拉擠制品具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、易裝飾、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)。這些性能對(duì)于許多類型的體育設(shè)施及相關(guān)應(yīng)用都是很理想的，例如漁竿、弓箭、撐竿、滑雪桿等。

3 碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用實(shí)例

碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度愈高，構(gòu)件自重愈小;比模量愈高，構(gòu)件的剛度愈大。因此充分利用碳纖維復(fù)合材料的特性，可提升諸多體育項(xiàng)目的成績(jī)。

3.1 撐竿

撐竿跳高在第一屆奧運(yùn)會(huì)中就被正式吸收為比賽項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)的撐竿由山胡桃木制成，結(jié)實(shí)沉重，缺乏彈性、儲(chǔ)能本領(lǐng)差的特性讓選手的動(dòng)能大多被浪費(fèi)，所以跳出的最好成績(jī)只有3.3 m。后來(lái)竹竿取代木質(zhì)撐竿，其中空質(zhì)輕有利于助跑，彈性有利于能量的轉(zhuǎn)化。20世紀(jì)60年代，運(yùn)動(dòng)員開始使用尼龍撐竿，不久尼龍撐竿又被玻璃纖維竿所代替。撐竿材料的不斷改革，使世界紀(jì)錄被屢屢新刷。如今撐竿發(fā)展到了第四代，玻璃纖維和尼龍已經(jīng)被性能更優(yōu)越的碳纖維復(fù)合材料取代，而且可根據(jù)撐竿受力的差異來(lái)設(shè)計(jì)不同部位的材質(zhì)，使整體性能最優(yōu)。最新的碳纖維撐竿可以保證撐竿既柔韌結(jié)實(shí)又不會(huì)斷裂或扭結(jié)，它可將運(yùn)動(dòng)員持竿快速助跑的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變成撐竿的彈性變形能，當(dāng)撐竿被壓彎到最大弧度后，這部分彈性變形能再釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)員的勢(shì)能，幫助運(yùn)動(dòng)員騰空躍起，飛越橫桿。

3.2 高爾夫球桿

20世紀(jì)30年代的鋼桿是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球桿，1972年美國(guó)首先采用碳纖維復(fù)合材料制成球桿，到1998年碳纖維高爾夫球桿數(shù)量大幅度超過(guò)鋼桿。高爾夫球桿由握把、桿身、桿頭組成，用碳纖維復(fù)合材料制成的高爾夫球桿可減輕重量約10% ～40%。根據(jù)動(dòng)量守恒定理，當(dāng)高爾夫球桿的總重量一定時(shí)，頭重桿輕便于提高揮桿速度，可使球獲得較大的初速度。此外，碳纖維復(fù)合材料具有高阻尼特性，可使擊球時(shí)間延長(zhǎng)，球被擊得更遠(yuǎn)。

3.3 網(wǎng)球拍

網(wǎng)球拍的發(fā)展趨勢(shì)是大型化、輕量化。目前世界上高、中檔網(wǎng)球拍大多采用碳纖維復(fù)合材料制成。大型網(wǎng)球拍需要采用重量輕、比強(qiáng)和比模大的碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造，它可以承受比木質(zhì)拍框更強(qiáng)的網(wǎng)線拉力，以保證擊球時(shí)不變形。減振阻尼性好的碳纖維復(fù)合材料，在賦予運(yùn)動(dòng)員舒適感的同時(shí)也使網(wǎng)球獲得了較大的初速度。

3.4 弓箭

在射箭項(xiàng)目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成績(jī)的重要途徑，而改善其用具性能的主要方法就是提高弓和箭的比彈性。當(dāng)今世界最好的弓是碳纖維復(fù)合材料系列產(chǎn)品，由碳纖維復(fù)合材料制作的弓臂(弓片)可承受50 kg/mm2的彎曲應(yīng)力，賦予箭最大的初速度和最遠(yuǎn)的射程［2］。開弓射箭，一張一弛，碳纖維復(fù)合材料的耐疲勞特性是玻璃鋼和金屬材料所無(wú)法比擬的，因而所制弓臂的使用壽命更長(zhǎng)。

3.5 自行車

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，自行車不僅是交通和運(yùn)輸工具，還具有健身、旅游、競(jìng)賽等多種功能。高檔自行車的車構(gòu)架、前叉部件、車輪、曲軸及座位支架等均使用碳纖維復(fù)合材料制成，不僅使自行車外觀更具美感，同時(shí)也賦予了車體良好的剛性和減震性能。車體重量進(jìn)一步下降，騎乘舒適性更好。因此一經(jīng)研制成功，便被用作專門的比賽用車。

此外，碳纖維復(fù)合材料在體育用品方面，還可以制造動(dòng)力雪撬用的彈簧板、冰球棒、游艇、賽艇、賽艇槳、帆船桅桿、摩托車零件、登山用品以及滑翔機(jī)、人力飛機(jī)、壘球和棒球球棒等。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展對(duì)體育產(chǎn)生了前所未有的影響，當(dāng)今世界的體育競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上是科學(xué)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，而先進(jìn)、新穎的材料則是提高體育科學(xué)技術(shù)水平的重要條件之一。如今，在不少運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，人的體能和精神的激發(fā)都幾乎達(dá)到了極限，勝敗往往只在毫厘之間，僅靠強(qiáng)健的肌肉和良好的競(jìng)技狀態(tài)已很難獲勝，運(yùn)動(dòng)員們?cè)絹?lái)越多地要依靠科學(xué)家的智慧，拼的是裝備。人們期望通過(guò)運(yùn)動(dòng)器材的升級(jí)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)員挑戰(zhàn)極限，可以這么說(shuō)，現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)已不再純粹是比哪個(gè)國(guó)家的運(yùn)動(dòng)員跑得更快、跳得更高、舉得更重，在運(yùn)動(dòng)員與運(yùn)動(dòng)員較量的背后，是國(guó)家與國(guó)家科技發(fā)展與人心凝聚的綜合大比拼。奧運(yùn)會(huì)上的各項(xiàng)紀(jì)錄不僅僅是人類突破生理極限的體現(xiàn)，也是科技創(chuàng)新在體育中的集中展現(xiàn)。

［1］杜希巖，李煒.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用［J］.山東紡織科技，2007(1):50-52.

［2］賀福.體育運(yùn)動(dòng)器材的“黑色革命”［J］.新型碳材料，1989，18(4):8-15.

The application of carbon fiber reinforced plastic in sports instruments

Chen Wei1，Bai Yan1，Zhu Jiaqiang2，Meng Lihong1
(1.College of Fashion Technology，Shanghai University of Engineering Science; 2.Shanghai Cedar Composites Technology Co.，Ltd.)

Carbon fiber and carbon fiber reinforced plastic(CFRP)have been applied extensively not only in aerospace，automobile and other industries，but also in sports instruments.The advantages and molding techniques of CFRP were discussed.Typical examples were also introduced to explain the advantages of this new kind of high-tech material，used in sports competition apparatus.Obviously，the sports performance can be greatly improved based on the CFRP.The CFRP has become one of the necessary new materials used in sports instruments.

carbon fiber，carbon fiber reinforced plastic(CFRP)，sports instruments

TS102

A

1004－7093(2011)08－0035－03

*上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)項(xiàng)目(B－8906－09－0134)

2011－03－07

陳偉，女，1990年生，在讀本科生。研究方向?yàn)樘胤N用途的紡織品。

白燕，E-mail:baiyan_12345@126.com