李洲鵬

摘要：碳材料所具有的優(yōu)異性能決定了其在多個(gè)行業(yè)中都具有廣闊的應(yīng)用空間，在碳纖維及其復(fù)合材料研發(fā)水平不斷提升的情形下，其應(yīng)用成本也在不斷降低，逐漸帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用水平不斷提高。文章從碳材料在體育器材生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)出發(fā)，對(duì)相關(guān)的應(yīng)用方法進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)碳材料在未來(lái)體育器材生產(chǎn)領(lǐng)域的前景進(jìn)行展望，以期對(duì)行業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：碳材料;碳纖維;體育器材

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）11-0071-03

碳材料在不同生產(chǎn)工藝的作用下，能夠充分將自身的局部?jī)?yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，在競(jìng)技體育和大眾體育不斷發(fā)展的推動(dòng)作用下，對(duì)于體育器材生產(chǎn)的要求也不斷提高。碳纖維及其復(fù)合材料在體育器材中的廣泛應(yīng)用，不僅能夠極大提升人們?nèi)粘ｓw育鍛煉的水平，還能夠更加豐富人們的日常生活，為社會(huì)的精神文明建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

1碳材料在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1橫向應(yīng)用范圍廣

人類社會(huì)應(yīng)用碳材料的歷史較為悠久，對(duì)于人類社會(huì)發(fā)展和生產(chǎn)生活水平的提高起到了極大的促進(jìn)作用。碳纖維及其復(fù)合材料可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的技術(shù)手段處理，將其電子軌道改變成為生產(chǎn)需要的各種組合形式，從而具備所需要的物理和化學(xué)性能。這些不同的性能不僅能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)生活的需要，還能夠使其在替代其他產(chǎn)品時(shí)較之原本的材料具有更加優(yōu)異的性能。正是基于這點(diǎn)特性出發(fā)，使得碳材料從原本在航空、航天、電子等高端產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用逐漸覆蓋包括化工、機(jī)械、汽車、醫(yī)學(xué)和體育器材等各種不同的民用領(lǐng)域。這從一定層次上而言，可以說(shuō)明碳材料具有廣泛的應(yīng)用范圍。

1.2縱向應(yīng)用周期長(zhǎng)

目前在碳材料的應(yīng)用中，主要有金剛石、線型碳、碳纖維、活性碳纖維、玻璃碳、金剛石薄膜、石墨層間化合物、氣相生長(zhǎng)碳纖維、中間相瀝青基碳纖維、碳化硅晶體和碳復(fù)合材料等。這些不同類型的碳材料具有不同應(yīng)用范圍，其性能之間也具有較大的差異。例如金剛石而言，其具有高熱傳導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)和高硬度等特征，因而在高精度生產(chǎn)和電子行業(yè)具有較高的應(yīng)用程度。碳纖維材料與金屬材料相比具有高強(qiáng)度、高模量、低密度和線膨脹系數(shù)小等鮮明特征，因此在包括運(yùn)動(dòng)器材在內(nèi)的民用領(lǐng)域內(nèi)具有高度的應(yīng)用。對(duì)于這些材料而言，無(wú)論是應(yīng)用何種對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)，都能夠極大的發(fā)揮出其自身所具有的特性，使得材料和產(chǎn)品性能得以極大的提升，從而使產(chǎn)品在其所擅長(zhǎng)的特性上得到更加突出的發(fā)揮，也使得產(chǎn)品的應(yīng)用周期更長(zhǎng)。尤其是對(duì)于體育器材而言，在專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的使用過(guò)程中消耗程度較之正常的使用水平有著幾何式的增長(zhǎng)。將對(duì)應(yīng)的碳材料應(yīng)用于體育器材的生產(chǎn)中，不僅能夠提升競(jìng)技水平的成績(jī)，還能夠改善體育器材的使用性能，提升運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)年限。

1.3應(yīng)用前景廣闊

目前對(duì)于碳材料的研究已經(jīng)進(jìn)入了相當(dāng)深入的階段，并且其研究體系還在不斷發(fā)展和豐富之中。按照學(xué)界目前統(tǒng)一的看法，碳材料已經(jīng)發(fā)展到第4代產(chǎn)品，但是其應(yīng)用范圍還僅局限在實(shí)驗(yàn)室和高端產(chǎn)品的生產(chǎn)中，隨著相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)水平不斷提高，碳材料性能也會(huì)得到更大的程度的擴(kuò)展，因而會(huì)在更加廣闊的市場(chǎng)空間中得以應(yīng)用，為人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)更大的便利。

2碳材料在體育器材生產(chǎn)中的應(yīng)用

在碳材料研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)不斷提高的背景下，第3代碳材料已經(jīng)有10多種類型應(yīng)用于民用生產(chǎn)之中，第4代碳材料也開始應(yīng)用于各類場(chǎng)景之中。由于體育運(yùn)動(dòng)形式的多樣化，基于體育器械的分類和實(shí)例來(lái)說(shuō)明碳材料的應(yīng)用方式已經(jīng)無(wú)法滿足研究的需要，本文基于碳材料自身的分類出發(fā)，對(duì)其應(yīng)用范圍和應(yīng)用方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

2.1碳纖維復(fù)合材料

就一定意義上而言，碳纖維復(fù)合材料并不是單一種類的碳材料，而是將碳纖維與樹脂和金屬類材料通過(guò)工藝處理之后形成的新型材料，在工藝處理的過(guò)程中，其就可以根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行一次成型設(shè)計(jì)。碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)是多方面的，首先是其在同等質(zhì)量的情況下，強(qiáng)度可以達(dá)到鋼鐵強(qiáng)度的5倍;其次碳纖維材料的耐熱和耐磨性能也比較高，并且還能夠承受極大的力學(xué)強(qiáng)度。正是由于這些突出的性能，使得碳纖維材料可以應(yīng)用于多種獨(dú)立的體育器械或者大型體育器械的組成部分。就實(shí)際應(yīng)用范圍來(lái)說(shuō)，碳纖維材料可以應(yīng)用在各類球類的球拍、高爾夫球桿、專業(yè)運(yùn)動(dòng)自行車、各種類型的船槳、跳高運(yùn)動(dòng)的輔助器材、賽艇和帆船的船身結(jié)構(gòu)等。采用碳纖維復(fù)合材料能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同和運(yùn)動(dòng)員個(gè)人發(fā)揮特征的需要進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，合理規(guī)避傳統(tǒng)材料的限制，在設(shè)計(jì)自由度提升的同時(shí)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員能力的充分發(fā)揮。

2.2石墨烯及其復(fù)合材料

石墨烯在碳材料的分類中屬于第4代應(yīng)用中的一類，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較為成熟的復(fù)合材料類型包括石墨烯橡膠和石墨烯纖維2種，此外還有其他類型的石墨烯技術(shù)正在處于不斷成熟之中。石墨烯橡膠材料在整體上具有較為復(fù)雜的特性，包括高電導(dǎo)率、機(jī)械陸能好、高熱穩(wěn)定性、較好的摩擦性能和更低的疲勞生熱性能等。由于其合成技術(shù)的不同又被分為多種不同的類型，這些不同類型的產(chǎn)品通常具有以上特性中的2-3種，從而能夠滿足不同體育運(yùn)動(dòng)器材的生產(chǎn)需要。石墨烯纖維材料的優(yōu)勢(shì)則是主要集中在拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等各個(gè)方面，此外部分材料在壓縮模量上也具有一定的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)石墨烯及其復(fù)合材料的特性，目前投入應(yīng)用的體育器械主要集中在籃球鞋、自行車輪胎、球拍制造和戶外運(yùn)動(dòng)服裝等方面。但是石墨烯及其復(fù)合材料的應(yīng)用受制于其成型技術(shù)和生產(chǎn)成本的影響，目前在競(jìng)技體育器材的生產(chǎn)中還受到較大的限制，而在大眾體育的體育器材生產(chǎn)中，幾乎還是一片空間，未來(lái)具有更為廣闊的市場(chǎng)空間。

2.3納米碳材料

納米碳材料是將碳材料與納米技術(shù)結(jié)合在一起的科技方式，它指的是分散相尺度至少有一維小于100mm的碳材料。現(xiàn)在的學(xué)術(shù)界將納米碳材料分為碳納米管、碳納米纖維和納米碳球3種類型，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中碳納米管類型的應(yīng)用最為廣泛。納米碳材料的應(yīng)用目前在棒球、曲棍球、網(wǎng)球、自行車和水上運(yùn)動(dòng)中已經(jīng)得到了不同程度的應(yīng)用，通過(guò)這些材料和生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，能夠使體育器械的重量極大的降低，具有更好的彈性，并且極大的提升運(yùn)動(dòng)員的舒適感，確保運(yùn)動(dòng)員更加穩(wěn)定的發(fā)揮，以此提升運(yùn)動(dòng)員的體育成績(jī)。但是納米碳材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也同時(shí)顯示出了較強(qiáng)的副作用：①納米碳材料的結(jié)構(gòu)使其在運(yùn)動(dòng)員使用過(guò)程中可能會(huì)通過(guò)皮膚進(jìn)入身體器官內(nèi)，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)員的生理健康造成未知的危害。②在碳納米材料技術(shù)研究差距較大的情況下，具有極大輔助性能的運(yùn)動(dòng)器械和裝備會(huì)造成競(jìng)技體育活動(dòng)外在的不公平，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部不公平現(xiàn)象的存在。但是就整體上來(lái)說(shuō)，競(jìng)技體育水平的提升和納米碳材料的研究水平是互相促進(jìn)的關(guān)系，在未來(lái)的體育事業(yè)發(fā)展過(guò)程中，其應(yīng)用空間必將會(huì)更加廣闊。

3碳材料在體育器材生產(chǎn)中的成型技術(shù)

由于碳材料形成工藝和應(yīng)用場(chǎng)景的不同，在應(yīng)用于體育器材的生產(chǎn)中時(shí)需要采取對(duì)應(yīng)的成型技術(shù)，以確保其性能得到良好的發(fā)揮。一股情形下，碳材料在體育器材生產(chǎn)中的成型技術(shù)主要包括以下4種：拉擠成型技術(shù)、模壓成型技術(shù)、纏繞成型技術(shù)和樹脂傳遞模塑成型技術(shù)。在生產(chǎn)棒狀、管狀和較長(zhǎng)尺寸的體育器材時(shí)，通常采用拉擠成型技術(shù)，例如弓箭、撐桿等器材的生產(chǎn)，同時(shí)還能夠通過(guò)不同工藝對(duì)其力學(xué)陸能進(jìn)行調(diào)控。模壓成型技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中具有較高的生產(chǎn)效率，可以達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)的要求，所以更多的被應(yīng)用于大眾類型的體育器材生產(chǎn)中碳材料的應(yīng)用環(huán)節(jié)。纏繞技術(shù)的應(yīng)用是通過(guò)專用機(jī)械設(shè)備的作用將浸潤(rùn)后的碳纖維材料固定在相應(yīng)的模具上，這種方式大多是應(yīng)用于具有曲面結(jié)構(gòu)的體育器材中，并且具有生產(chǎn)效率高、綜合成本低的特征。樹脂傳遞塑模成型技術(shù)在一些流線型體育器材的生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，具有成型便利，成型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特征，尤其是在自行車和船體結(jié)構(gòu)的制造中，應(yīng)用范圍較為廣闊。整體上而言，碳材料在體育器材生產(chǎn)中的成型技術(shù)是基于其自身特性與體育器材性能要求而產(chǎn)生的，在未來(lái)的生產(chǎn)應(yīng)有過(guò)程中，還將會(huì)出現(xiàn)多種不同的成型技術(shù)，以促進(jìn)碳材料的應(yīng)用范圍更加廣泛，性能也將更加優(yōu)異。

4碳材料在體育器材生產(chǎn)中的前景

碳材料的應(yīng)用雖然已經(jīng)有了較為悠久的歷史，但是目前人類對(duì)其認(rèn)識(shí)水平從發(fā)展階段上來(lái)說(shuō)還處于初級(jí)階段，隨著研究水平的提高，在未來(lái)還將具有更加廣闊上升空間，因此在體育器材生產(chǎn)中具有廣闊的前景。就競(jìng)技體育來(lái)說(shuō)，目前碳纖維材料在賽事類體育器和檢測(cè)類器材中都得到了廣泛的應(yīng)用。這不僅對(duì)運(yùn)動(dòng)員賽事水平的發(fā)揮起到了極大的促進(jìn)作用，而且能夠通過(guò)對(duì)應(yīng)的技術(shù)手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到運(yùn)動(dòng)員的生理生化指標(biāo)，為運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練計(jì)劃提供更加科學(xué)的參考依據(jù)。而在大眾體育方面，隨著碳材料的生產(chǎn)成本不斷降低，其將會(huì)由目前的高端材料逐漸轉(zhuǎn)型成為普通材料，從而更加廣泛的應(yīng)用于普通的體育器材生產(chǎn)中。尤其是在穿戴類器材的發(fā)展中，由于碳材料獨(dú)特的性能，可以在大眾群體在進(jìn)行體育鍛煉時(shí)起到更好的保護(hù)作用，提升普通民眾參與大眾鍛煉的積極性，為全面健身活動(dòng)的開展和人們精神生活的豐富提供更加有利的支持。但是就目前的發(fā)展水平而言，我國(guó)的碳材料研究水平距離日本和美國(guó)之間還有較大的差距，尤其是在高端碳材料的研究上，還存在較大的差距，這是相關(guān)從業(yè)者在未來(lái)研究中的努力方向。

5結(jié)語(yǔ)

碳材料的應(yīng)用本身具有廣闊的發(fā)展空間，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，在國(guó)家相關(guān)部門的大力推動(dòng)下，在市場(chǎng)因素的指引作用下，我國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了生產(chǎn)水平較高的專門從事碳材料體育器材生產(chǎn)的企業(yè)。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，碳材料的研發(fā)水平必將不斷提高，其生產(chǎn)成本也將不斷降低，從而能夠應(yīng)用于更多的體育器材的生產(chǎn)中，為我國(guó)體育事業(yè)的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。