周博

摘要：得益于自身良好的剛性、耐腐蝕性，碳纖維符合材料自發(fā)明以來已被廣泛應(yīng)用社會(huì)生活、生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如航空航天、交通器械、體育器材、醫(yī)療器材等。由于碳纖維材料具有質(zhì)量輕、剛性強(qiáng)的特點(diǎn)，用其加工而成的各種體育器材、產(chǎn)品在該領(lǐng)域得到了非常廣泛的好評(píng)。研究以碳纖維材料的優(yōu)勢(shì)和特性綜合分析為基礎(chǔ)，對(duì)其應(yīng)用于體育器材上的各種產(chǎn)品應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了綜述，并結(jié)合案例論述了碳纖維材料在高爾夫球桿、滑雪板、網(wǎng)球拍等器械上的應(yīng)用進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：碳纖維材料;體育器械;應(yīng)用價(jià)值

中圖分類號(hào)：TQ127.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）12-0045-04

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的實(shí)現(xiàn)和我國(guó)國(guó)民生活水平的不斷提高，我國(guó)國(guó)民對(duì)于體育健身的需求逐漸向西方發(fā)達(dá)國(guó)家靠攏。高爾夫、網(wǎng)球等運(yùn)動(dòng)逐漸因?yàn)槠漭p松、健康的運(yùn)動(dòng)形式受到越來越多的中國(guó)百姓喜愛。群眾對(duì)體育的關(guān)注和認(rèn)可極大地促進(jìn)了我國(guó)體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，同時(shí)人們對(duì)高質(zhì)量體育器材的追求也對(duì)我國(guó)體育器材生產(chǎn)、加工提出了更高的要求。

碳纖維材料由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕且較易加工的特性，在應(yīng)用到體育器材領(lǐng)域后迅速擴(kuò)大規(guī)模，逐漸成為體育愛好者及專業(yè)運(yùn)動(dòng)員青睞的體育器材使用材料。尤其在高端器械領(lǐng)域，碳纖維幾乎是高端體育產(chǎn)品的必須材料。因此，針對(duì)碳纖維材料的特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其在體育器械中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)并積極開發(fā)某些領(lǐng)域的創(chuàng)新性產(chǎn)品，是當(dāng)下我國(guó)體育器械領(lǐng)域必須研究的方向之一。

1 碳纖維材料在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)是“更快、更高、更強(qiáng)”，因此在體育設(shè)施以及健身器械方面有了更高的要求，需要適應(yīng)現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展理念和步伐。在體育和健身運(yùn)動(dòng)中，體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械的質(zhì)量至關(guān)重要，甚至可以直接影響運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中的運(yùn)動(dòng)水平和發(fā)揮，而制作器械的材料可以決定體育器械和、健身器械的優(yōu)劣，也是影響前者發(fā)揮的最重要因素之一。當(dāng)前，我國(guó)體育器械和健身器械選用材料的情況有了更多的發(fā)展和優(yōu)化，具體如下：多種新型材料混雜使用，并且塑料和先進(jìn)復(fù)合材料等到更多范圍的應(yīng)用。本文此部分將重點(diǎn)介紹塑料及復(fù)合材料在體育器械和健身器械等活動(dòng)方面的選材和應(yīng)用原則。

1.1質(zhì)量輕便

體育器材的應(yīng)用訴求不同，對(duì)材質(zhì)和重量的要求也相差很大。就重量來說，并不是說越輕便越好，因?yàn)橐恍┰黾∑餍祵?duì)重量是有嚴(yán)格要求的，除去對(duì)重量有要求的體育器材，像羽毛球、網(wǎng)球等球桿類運(yùn)動(dòng)和自行車、帆船、賽車等需要借助動(dòng)力的體育器材，為方便使用并節(jié)省動(dòng)力，材質(zhì)當(dāng)然是越輕便越好，因此碳纖維材料在這一領(lǐng)域可大有發(fā)展。對(duì)于運(yùn)動(dòng)來說，所使用的的器械一般來說都是靠人力來推動(dòng)或使用，所以要求器械質(zhì)量越輕越好，比如運(yùn)動(dòng)鞋（包括跑鞋）、自行車、皮劃艇、槳、運(yùn)動(dòng)衣（包括游泳衣）、賽艇、滑雪板、撐桿、冰鞋等一系列體育用具;還有一些靠機(jī)械力供人們健身運(yùn)動(dòng)的器械，在額定功率設(shè)定好的情況下，如果材質(zhì)輕盈也是可以達(dá)到最佳健身或使用效果，例如電碰車、馬鞍、賽車、電動(dòng)游樂船等設(shè)施。對(duì)于大多數(shù)體育設(shè)施來說，質(zhì)地輕盈可以實(shí)現(xiàn)便捷攜帶收納、快速安裝、拆卸，甚至維修起來也更加方便;并且由于材料質(zhì)地輕盈，可以實(shí)現(xiàn)更好的阻尼減振性，因此像操場(chǎng)的跑道以及體育場(chǎng)館地板都會(huì)選用該類材料來鋪設(shè)。質(zhì)地輕盈是塑料及復(fù)合材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)，然而不同塑料及復(fù)合材料的性能、密度也互有差別，常規(guī)來看，復(fù)合材料的密度稍大于塑料。

1.2力學(xué)性能良好

碳纖維材料具有強(qiáng)度高、彈性好、韌性好的特點(diǎn)，這是傳統(tǒng)木料和金屬所不具備的，但卻是體育器材在使用過程中所必需的，這一應(yīng)用優(yōu)勢(shì)再次證明，碳纖維材料是體育器材的絕佳選擇。其良好的力學(xué)性能的集中體現(xiàn)是可塑性極高，因此不用擔(dān)心損壞了需要花費(fèi)高昂的維修費(fèi)用，碳纖維材料在體育器材中的應(yīng)用，可以說從根本上解決了體育器材可塑性差的問題。

1.3安全性和衛(wèi)生性優(yōu)良

以上碳纖維材料在體育器材中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)綜合體現(xiàn)出，碳纖維材料是可回收再利用的新型環(huán)保材料，安全性和衛(wèi)生性優(yōu)良，因而可大大節(jié)約體育器材的生產(chǎn)成本，這些優(yōu)良特點(diǎn)成為碳纖維材料可在體育器材領(lǐng)域大有作為的優(yōu)勢(shì)。

1.4成型加工性好

在眾多的體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械性能中，良好的成型加工性也是塑料及復(fù)合材料制作體育器械和健身器械的基本條件之一。熱塑性塑料及其合金可以通過吹塑、注塑、擠出、熱成型等方法進(jìn)行加工得到體育器械成品，相對(duì)來說比較容易。還有一些其他先進(jìn)復(fù)合材料（不管是熱塑性樹脂基復(fù)合材料還是熱固性樹脂基復(fù)合材料）在成型性方面顯示出困難較大。盡管如此，隨著在體育健身器械材料領(lǐng)域的不斷研究和成型技術(shù)持續(xù)發(fā)展，可以開發(fā)出具有良好加工性能的方法，進(jìn)而得到各式各樣的健身體育器械成型制品。在當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料的成型技術(shù)中，主要有真空袋成型、熱壓罐成型、壓制成型、壓力袋成型、纏繞成型、軟模成型、拉拔成型以及樹脂傳遞模塑成型（RIM）等多種加工工藝。此外，在一些一般復(fù)合材料中也可以采用常見的手糊成型、片狀模塑（MS）C成型、噴射成型和層壓成型等制作方法，例如在制作游樂船和艇時(shí)，就采用的手糊成型技術(shù)來制作。

1.5耐老化性好

在體育運(yùn)動(dòng)和健身活動(dòng)時(shí)，大多數(shù)體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械需要在戶外進(jìn)行使用，易受到太陽(yáng)光等紫外線的照射，另外還有大氣中所含的氧、臭氧和某些酸性氣體的相互作用以及雨水的浸蝕等，晝夜溫差的變化以及其他原因（如季節(jié)、地理位置）導(dǎo)致的高低溫的交替，容易使耐候性較差的材料產(chǎn)生老或者表面龜裂及顏色改變等現(xiàn)象。因此要求器械所用的塑料及復(fù)合材料需要具備有良好的耐老化性。在一些露天體育場(chǎng)館和設(shè)施中此類要求更加明顯，如跑道、滑雪場(chǎng)的圍欄、場(chǎng)館地板等，否則嚴(yán)重影響使用壽命。

2 碳纖維材料常用選材

制成碳纖維材料的常用選材是無機(jī)纖維與高強(qiáng)高模合成纖維，有時(shí)也選用兩種或兩種以上的混合纖維，增強(qiáng)效果會(huì)比單獨(dú)一種纖維要好。以下為有關(guān)碳纖維材料常用選材的詳細(xì)論述。

2.1無機(jī)纖維

常見的無機(jī)纖維有四種類型，分別是玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維和硼纖維。

玻璃纖維是最早開發(fā)運(yùn)用的復(fù)合纖維材料，因而目前的利用率也是最高的，其剛度大、耐沖擊、延展性好的優(yōu)良特點(diǎn)也是目前被廣泛使用的一大原因。第二類的碳纖維在生活中常見，因?yàn)樗谋葟?qiáng)度和比模量都很高，而且耐熱，剛性和強(qiáng)度都不錯(cuò)，它的優(yōu)點(diǎn)多，但同時(shí)缺點(diǎn)也很明顯，例如潤(rùn)濕度低、黏附力差等，但并不是沒有解決辦法，我們可以在使用碳纖維之前對(duì)其進(jìn)行表面的活化處理。第三類的碳化硅纖維是在碳纖維基礎(chǔ)上的優(yōu)化，因而耐磨、抗壓、延展性好、比模量高、耐熱性強(qiáng)，并且可與金屬和塑料等其他材料符合。第四類的硼纖維屬于高強(qiáng)高模合成纖維的一種，以增強(qiáng)樹脂和金屬制成，性能極佳，應(yīng)用前景廣泛。

2.2高強(qiáng)高模合成纖維

高強(qiáng)高模合成纖維主要有4種類型：芳香族聚酰胺纖維、混雜纖維和超高模量聚乙烯纖維。

芳香族聚酰胺纖維的粘結(jié)性能良好，密度低、耐高溫、強(qiáng)度大、比模量較高，與樹脂融合后是制成特殊絲紗織物的重要纖維，因而可用于制作體育器材中有較高的拉伸強(qiáng)度要求和彈性模量的器械。第二類的混雜纖維指由兩種短纖維或兩種長(zhǎng)絲或粗纖維組成的包芯與樹脂基體的合成材料，因合成材料多樣，混雜纖維的體現(xiàn)并不唯一，所以可滿足不同種類的生產(chǎn)與應(yīng)用需求。第三類的超高模量聚乙烯纖維優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)都很明顯，它的優(yōu)點(diǎn)如高強(qiáng)度、低密度、適應(yīng)性好、穩(wěn)定性高等，缺點(diǎn)如黏著性較差等，因而在使用前必須以特殊方法對(duì)其表面進(jìn)行處理。

2.3織物結(jié)構(gòu)

織物結(jié)構(gòu)是一種材料，并且是碳纖維材料中的優(yōu)異材料。一般的纖維材料很容易出現(xiàn)纏繞或剪切效應(yīng)，但織物結(jié)構(gòu)不會(huì)，這是它成為優(yōu)異碳纖維材料的最重要原因。此外，織物結(jié)構(gòu)的優(yōu)異還體現(xiàn)在可滿足體育器材制作的不同形狀及結(jié)構(gòu)的多重需求，因?yàn)槔每椢锝Y(jié)構(gòu)形成的良好預(yù)成型件，可制作出不同形狀特點(diǎn)的產(chǎn)品，與基體樹脂進(jìn)行組合再造也更加便捷。

2.4基體樹脂

基體樹脂有三種類型，分別是不飽和樹脂、熱塑性樹脂和環(huán)氧樹脂，其中應(yīng)用比較廣泛的是不飽和樹脂，而發(fā)展最快的是新型的環(huán)氧樹脂。

不飽和樹脂質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、方便取材，這是它被廣泛應(yīng)用的一大原因，此外，不飽和樹脂的堅(jiān)韌性極佳，接觸鹽和酸等腐蝕性物質(zhì)也可保持相對(duì)穩(wěn)定，且固化后透明度可人為操控，透明或不透明均可，上色容易，固化后的固體是可燃的，可與其他材料復(fù)合，缺點(diǎn)是耐光性和耐熱性較差，因?yàn)樵谑褂脮r(shí)要注意。

熱塑性樹脂是新材料，在體育器材領(lǐng)域剛剛嶄露頭角，具體體現(xiàn)為尼龍、聚碳酸等熱塑性樹脂。

發(fā)展最快的新型環(huán)氧樹脂具有極強(qiáng)的黏結(jié)力，但是用固化環(huán)氧樹脂制成的體育器材脆度較高，易折易斷。克服這一缺點(diǎn)的具體辦法是可添加增韌劑，以調(diào)和脆度、增加韌性、改善性能。

3 碳纖維材料在體育器材中的具體應(yīng)用

3.1高爾夫球桿

作為一種“貴族運(yùn)動(dòng)”，打高爾夫球?qū)ζ鞑牡囊笫呛芨叩?，尤其是?duì)球桿，因?yàn)樗苯佑绊懬虻某跛俣龋@是高爾夫球運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。初代球桿的主要用材是柿木，但是這一材料密度高、質(zhì)量大，不利用揮桿使用，因而促使著人們?nèi)で笮虏牧细纳聘郀柗蚯驐U。接下來出現(xiàn)了黑桿，它是以纏繞法制成的碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料器材，梆頭更輕，因而能很好地控制高爾夫球的初速度，并且，黑桿的可塑性更高，未來還有更多的設(shè)計(jì)可能和可發(fā)揮空間。

隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和對(duì)復(fù)合材料的繼續(xù)研究，相關(guān)研究人員對(duì)高爾夫球桿的改善還將持續(xù)不斷的發(fā)展，未來的高爾夫球桿在尺寸和重量等基礎(chǔ)性能上會(huì)更加優(yōu)異，或許會(huì)出現(xiàn)高強(qiáng)度、彈性極佳、壽命更長(zhǎng)的高檔高爾夫球桿，高爾夫發(fā)燒友的球技也能更完美地呈現(xiàn)。綜上，碳纖維復(fù)合材料在高爾夫球桿的設(shè)計(jì)制作中擁有廣闊前景。

3.2滑雪板

隨著冬季奧運(yùn)會(huì)在中國(guó)的首次舉辦，滑雪運(yùn)動(dòng)在我國(guó)也受到了越來越多人的關(guān)注，而滑雪最必不可少的就是滑雪板了，無論是職業(yè)選手還是普通玩家，一個(gè)好的滑雪板不僅能帶來最好的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)，還能最大限度地保證安全。而怎樣才算是好的滑雪板呢？質(zhì)輕，減震性能良好，使用壽命長(zhǎng)。由此可見，碳纖維復(fù)合材料是制作滑雪板的最佳選擇，其中又以玻璃纖維為最優(yōu)，它沒有普通木制、金屬制或塑料滑雪板易變性、易損的缺點(diǎn)，而且韌性更強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)。

3.3網(wǎng)球拍

市場(chǎng)上的網(wǎng)球拍良莠不齊，高中低檔都有，價(jià)位不等，懸殊較大，但中高檔網(wǎng)球拍基本上都是碳纖維復(fù)合材料制成的，因?yàn)榭蓾M足網(wǎng)球拍對(duì)延展性和減震性的要求，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料可塑性好的特點(diǎn)，網(wǎng)球拍的外觀設(shè)計(jì)也有了更多選擇。此外，碳纖維材料在制作大型網(wǎng)球拍方面具有先天優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)球拍相比，同樣的重量，碳纖維材料制成的網(wǎng)球拍比傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)球拍大一倍多，因延展性好，碳纖維型網(wǎng)球拍的網(wǎng)線張力也更好了，而且質(zhì)量輕盈、比模量高，符合網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)對(duì)器具的要求，便于運(yùn)動(dòng)員使用和發(fā)揮。

3.4水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施設(shè)備

水上運(yùn)動(dòng)器材比如：帆船、賽艇以及水上摩托等都是最常用到塑料及復(fù)合材料作為原料制造的體育設(shè)施設(shè)備，其中單獨(dú)就賽艇來說，芳綸纖維可以用于制作艇身帆布的原材料，玻璃纖維增強(qiáng)塑料可以作為制作艇身骨架的原材料，泡沫夾層板則是制作槳或槳桿的最佳材料。對(duì)于皮艇劃艇的選料，不飽和聚酯樹脂復(fù)合物和碳纖維增強(qiáng)塑料都可以作為艇身骨架材料，而槳或槳桿材料可以用環(huán)氧樹脂復(fù)合物和碳纖維增強(qiáng)塑料來制作。除此之外，沖浪板、滑水板等外層的制作可以用纖維增強(qiáng)塑料和聚氨酯泡沫復(fù)合材料，在內(nèi)層的制作上就可以采用乙烯基酯樹脂和聚氯乙烯復(fù)合材料，效果達(dá)到最佳。

3.5其他運(yùn)動(dòng)健身設(shè)施和器械

在運(yùn)動(dòng)設(shè)施或健身器械中塑料材質(zhì)制品多種多樣，最常見的種類包括體育跑道及地板、自行車、運(yùn)動(dòng)衣及游泳衣、游泳池等，其中有一些器材可以用纖維增強(qiáng)塑料的諸多優(yōu)勢(shì)性能去代替金屬材料，比如自行車車架、車輪等部件，工藝上把卷裝碳纖維增強(qiáng)塑料經(jīng)過熱壓成型制作整體車架，車架內(nèi)芯用泡沫塑料進(jìn)行填充;另外，還可以將熱塑性塑料通過整體注塑而成型，輕便型或兒童型自行車可以采用此制作工藝。游泳池一般可以采用不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料和無捻玻璃布來作為原材料，通過手糊法和層壓方式制作而成。室外操場(chǎng)、室內(nèi)體育館的塑膠跑道或塑膠地板已逐漸代替掉傳統(tǒng)的水泥或沙土材質(zhì)，塑膠跑道的多層結(jié)構(gòu)可以更好的輔助人們進(jìn)行鍛煉運(yùn)動(dòng)。