高芳芳 張瓊 賈琳

摘要：碳纖維屬于碳含量比較高的無機(jī)高分子纖維材料，具有外柔內(nèi)剛的特性，質(zhì)量非常輕，強(qiáng)度卻很高。根據(jù)不同配比，將碳纖維與樹脂融合，構(gòu)成碳纖維復(fù)合材料。目前進(jìn)行體育器材制造時，主要使用的材料便是復(fù)合材料，而碳纖維符合材料為最佳選擇。通過新材料提高體育器材的整體功能，以此保證體育運(yùn)動效率與質(zhì)量。據(jù)此，文章主要對基于體育器材的碳纖維復(fù)合材料的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：體育器材;碳纖維;復(fù)合材料

中圖分類號：TQ342⁺.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0063-03

1 基于體育器材的碳纖維復(fù)合材料實(shí)踐運(yùn)用的優(yōu)勢

1.1質(zhì)輕

以體育器材為載體鍛煉身體，除特殊項(xiàng)目體育器材對重量有明確要求，其他的則是器材越輕越好，質(zhì)輕有利與人們在鍛煉時正常發(fā)揮，即網(wǎng)球拍、球桿類、自行車等等，甚至是帆船和賽車等需要以動力為重要輔助的機(jī)械類器材，也要求材料必須質(zhì)輕，以此減少動力，節(jié)約燃料。因此，碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)輕特性可以為人們提供便捷，并且在此基礎(chǔ)上，節(jié)約能耗。

1.2力學(xué)性能良好

碳纖維復(fù)合材料的彈性與韌性都非常好，是普通材料不能替代的，其特性與體育器材使用時，所需充分考慮的力學(xué)性能明確相符，因此，其是體育器材用料的最優(yōu)選擇。此外，碳纖維復(fù)合材料極易加工，可塑性較強(qiáng)。普通材料因?yàn)樽陨硇阅芗s束，缺乏良好的可塑性，出現(xiàn)破損時難以快速修復(fù)，并且修理成本比較高，但是碳纖維復(fù)合材料并不存在這些憂患，其可塑性非常突出，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，比較隨意多變。

1.3安全衛(wèi)生

總之，碳纖維復(fù)合材料不僅具備良好的多元化性能，還屬于節(jié)能環(huán)保材料。因此，其安全與衛(wèi)生保障完善。并且，其中部分復(fù)合材料還能回收利用，這就在很大程度上節(jié)約了體育器材制造成本，這將有利于體育器材的發(fā)展與推廣。所以碳纖維復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用前景十分廣闊。

2 基于體育器材的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

碳纖維具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，即低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性良好、熱膨脹系數(shù)比較低等。碳纖維的許多優(yōu)異性能，促使其發(fā)展成了制備多元化結(jié)構(gòu)與功能型復(fù)合材料的主要原料。而碳纖維復(fù)合材料則是碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料與碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料，已經(jīng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了在航空航天、風(fēng)電以及體育器材等相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2.1航空航天

碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用，促使飛機(jī)重量顯著縮減，節(jié)省了油耗，并降低了運(yùn)營成本。而廣泛應(yīng)用復(fù)合材料所獲取的低油耗與高巡航速度，促使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)不經(jīng)停的直飛。碳纖維復(fù)合材料以其耐高溫、抗磨損與比熱容較大等特性，備受飛機(jī)制動裝置制造青睞，不僅可以節(jié)省40%結(jié)構(gòu)重量，還能夠延長制動盤使用壽命。

2.2風(fēng)電葉片

風(fēng)能屬于清潔可再生能源，是無窮無盡的。在風(fēng)電系統(tǒng)中，碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用在風(fēng)電葉片與儲能飛輪等方面。在風(fēng)電葉片的長度超出40m的時候，便需利用碳纖維復(fù)合材料。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正在逐漸朝向大型化方向發(fā)展，而風(fēng)輪的直徑也超出了120m，最長葉片超過了60m，對此使用碳纖維復(fù)合材料，不僅可以顯著縮減重量，還可以降低葉片成本，以及風(fēng)電裝置成本。

2.3體育器材

基于安全和減重需求角度，碳纖維復(fù)合材料在自行車、沖浪板、高爾夫球桿、滑雪板等方面的應(yīng)用，是消耗量最大的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，大約能夠節(jié)省5kt碳纖維，穩(wěn)定性與可靠性非常好。

2.4碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線

現(xiàn)階段，發(fā)達(dá)國家開發(fā)了碳纖維符合材料芯導(dǎo)線。碳纖維負(fù)荷材料芯導(dǎo)線主要是通過碳纖維符合材料芯制成的，強(qiáng)度較高，比重比較小，能夠顯著降低架線鐵塔整體負(fù)荷，縮短安裝工期，保證安全性與穩(wěn)定性，而且不會出現(xiàn)鋼絲引發(fā)磁損或熱損的現(xiàn)象，輸電損失比較小，節(jié)能效果較好。當(dāng)前我國現(xiàn)階段主要通過線路增容改造，在新建線路，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模全面推廣，主要問題在于安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)行穩(wěn)定等等。

3 基于體育器材的碳纖維復(fù)合材料實(shí)踐運(yùn)用

3.1纏繞成型技術(shù)

在纏繞機(jī)上，把預(yù)浸料坯均勻并規(guī)律性地纏繞到轉(zhuǎn)動芯模上去，然后進(jìn)行固化并除去芯模，以此獲取器材。纏繞成型技術(shù)不僅適合進(jìn)行簡單旋轉(zhuǎn)體制造，即圓柱體或者球體、圓筒形制品等，還適用于非旋轉(zhuǎn)體部件制造。顯著特性是就器材受力狀況，根據(jù)既定規(guī)律進(jìn)行纖維均勻分布安排，以此將纖維的強(qiáng)度全面發(fā)揮出來，從而獲取輕質(zhì)并且強(qiáng)度較大的器材。而在工藝上，可以進(jìn)行連續(xù)化與機(jī)械化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期比較短，生產(chǎn)效率與水平較高，勞動強(qiáng)度相對偏低。但是其中也存在不足，即器材固化之后，還需要進(jìn)行芯模去除操作，并不適合帶有凹曲表層的器材制造，此方法適用于進(jìn)行高爾夫球桿與釣魚竿制造。

3.2模壓成型技術(shù)

模壓成型技術(shù)是基于封閉模腔內(nèi)部，以加熱與壓力為輔助固化并制成復(fù)合材料器材的方式。模壓成型時，模具主要包含陰模與陽模兩大部分，其中增強(qiáng)材料則選擇短切纖維氈、織物等等，模壓成型技術(shù)的生產(chǎn)效率比較高，器材的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，表層干凈整潔，比較適合進(jìn)行大批量、精確度與循環(huán)性要求高的體育器材制造。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的體育器材，可以一次性成型，不需要采取輔助加工，還可以避免對器材性能造成損傷，而且器材外觀與尺寸循環(huán)性良好。但是缺陷在于模具設(shè)計(jì)制造太過繁雜，在初始投資的時候成本比較高，很容易受使用設(shè)施設(shè)備的約束。

3.3RTM成型技術(shù)

RTM成型技術(shù)，就是所謂的樹脂傳遞模塑，是復(fù)合材料經(jīng)常使用的成型技術(shù)。此技術(shù)主要是把纖維與預(yù)成坯鋪放到密封模腔中，通過壓力作用把樹脂液傳輸?shù)侥Ｇ恢腥?，浸透纖維與預(yù)成坯固化之后，脫模成型為體育器材。此成型技術(shù)的優(yōu)勢在于可以制造出質(zhì)量較高、精確度較高、孔隙率比較低、纖維含量非常高的復(fù)合型材料器材，不需要膠衣樹脂，便能夠獲取更加光滑的雙表層。體育器材從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)整個流程，耗費(fèi)時間比較短，生產(chǎn)效率與質(zhì)量高。且RTM模具與成型器材能夠利用CAD完成設(shè)計(jì)，模具制造簡單，材料的選擇面廣泛。此外，RTM成型構(gòu)件與管件極易實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)或者制造局部加厚的構(gòu)建，帶有芯材的復(fù)合材料可以一次性成型。RTM成型時，不會大量揮發(fā)，可以在一定程度上保證操作工人身體不受損害，也會造成環(huán)境污染。當(dāng)下利用RTM技術(shù)主要進(jìn)行自行車與劃艇主體部分大批量生產(chǎn)。

3.4拉擠成型技術(shù)

拉擠成型技術(shù)主要適用于進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料型材連續(xù)性生產(chǎn)。而拉擠就是纖維束或帶狀織物受外力牽引作用，通過浸膠、擠壓成型、加熱固化等，制造具備特定橫截面形狀與長度不受限的線型器材。其把通過浸漬之后的連續(xù)纖維基于具備截面形狀的成型模具，基于模腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)固化成型，或者基于模腔內(nèi)部凝膠與出模，然后加熱實(shí)現(xiàn)固化成型，受牽引機(jī)械拉力的帶動，能夠連續(xù)牽出無限長度的型材體育器材。拉擠成型的工藝比較簡單，生產(chǎn)效率也非常高。在進(jìn)行體育器材制造的時候，增強(qiáng)纖維沿著軸向平行進(jìn)行均勻排列，可以充分發(fā)揮其強(qiáng)度。而且通過纖維氈增強(qiáng)材料，可以制造具備向同性器材。而通過編織帶能夠在很大程度上提升器材橫向強(qiáng)度。拉擠成型器材具備強(qiáng)度高、輕質(zhì)、表層質(zhì)量好等優(yōu)勢特性，其對各種類型體育器材而言，應(yīng)用都非常理想，即弓箭、撐桿、滑雪桿等等。

4 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用制成的體育器材類型

4.1高爾夫球桿

高爾夫球桿屬于一項(xiàng)貴族運(yùn)動，球在初始時速度直接影響著高爾夫球運(yùn)動整體，其對高爾夫球桿要求非常高。傳統(tǒng)高爾夫球桿的棒頭是選用柿木制造的，但是柿木重量較大，很容易影響運(yùn)動員掌控和揮桿，隨后便衍生了纏繞法，以此將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造成黑桿，以此代替了傳統(tǒng)球桿。黑桿的棒頭比較請，有利于提高球的初始速度。同時，因?yàn)閺?fù)合材料可塑性比較強(qiáng)，黑桿的設(shè)計(jì)維度比較大，可以促使球在飛行時，更加穩(wěn)定有序。在復(fù)合材料與工藝不斷更新優(yōu)化的趨勢下，高爾夫球桿越來越完善，其重量與尺寸等基礎(chǔ)性能越來越優(yōu)異。而強(qiáng)度與彈性高的高爾夫球桿的性能也非常穩(wěn)定，使用壽命也隨之增加，最顯著特性是使用者能夠更加全面發(fā)揮出自身高超的球技，因此，利用碳纖維復(fù)合材料制造高爾夫球桿已經(jīng)成為主要趨勢，而且前景廣闊。

4.2滑雪板

近年來，滑雪運(yùn)動備受青睞，其中滑雪板則是關(guān)鍵的體育器材，與運(yùn)動員最終成績息息相關(guān)，并且與運(yùn)動員的安全密切相聯(lián)，因此，必須對此采取有效措施加以解決。在滑雪板制造上，應(yīng)保證質(zhì)量輕，減震性能強(qiáng)，使用壽命長，因此，最佳選擇就是復(fù)合材料。通過利用玻璃纖維等復(fù)合材料可以制造性能良好的滑雪板，并且比傳統(tǒng)木質(zhì)和金屬的滑雪板質(zhì)量好，木質(zhì)的容易變形損壞，金屬的適應(yīng)性較差，但是復(fù)合材料的滑雪板并不存在這些后顧之憂，還可以強(qiáng)化其韌性，延長使用壽命。

4.3網(wǎng)球拍

在體育器材中，網(wǎng)球拍比較常見，現(xiàn)在中高端的網(wǎng)球拍都是利用碳纖維復(fù)合材料制造的，其優(yōu)勢在于延展性與可塑性比較好，使得球拍的減震性能良好，并且設(shè)計(jì)類型越來越多元化。碳纖維復(fù)合材料最早的實(shí)踐應(yīng)用實(shí)例在美國，后續(xù)其他企業(yè)開始效仿。其1，碳纖維符合材料能夠制造生產(chǎn)大型的網(wǎng)球拍，是傳統(tǒng)木質(zhì)球拍不能比擬的，相同重量，但延展性卻存在顯著差異，而且網(wǎng)線張力也明顯較大。碳纖維的顯著特性是質(zhì)輕、強(qiáng)度高、模量高等，因此盡管大型網(wǎng)球拍也可以確保其重量與不變性;其2，減震吸能性良好。在網(wǎng)球運(yùn)動中，球拍與球之間的作用力，可以引發(fā)震動，但是碳纖維復(fù)合材料的減震效果較好，可以降低甚至消除振幅，運(yùn)動員手感振幅幾乎不可見，非常舒適;其3，碳纖維復(fù)合材料制造的網(wǎng)球拍能夠增加設(shè)計(jì)自由度。

5 結(jié)語

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料在國內(nèi)外的發(fā)展?jié)摿Χ急容^大，而且發(fā)展前景良好。到現(xiàn)在，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)在體育器材市場中占據(jù)了很大比例，并形成了一定程度的認(rèn)知基礎(chǔ)。在社會進(jìn)步發(fā)展的推動下，人們對體育器材的要求也不斷提升，碳纖維復(fù)合材料不僅符合時代發(fā)展需要，與時俱進(jìn)，而且還具備廣闊的發(fā)展前景，值得大力推廣與應(yīng)用。