黃珂

摘要：碳材料在我國各個行業(yè)應用越來越廣泛，體育器材領域也不例外，其優(yōu)越的性能，巨大的潛力，對于提高體育競技成績有著一定的影響。本文介紹了碳材料在現階段體育器材方面應用的優(yōu)勢和主要技術，通過碳材料成熟體育器材的分析，探析碳材料在體育器材中的應用。

關鍵詞：碳材料;體育器材;應用

中圖分類號：TQ341文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0108-03

隨著世界各類體育競技的高速發(fā)展，各國對于體育器材的研究越來越重視，不斷探索各種新材料體育器材來推動體育成績的提高。碳材料及其各種符合材料在體育器材研發(fā)中應用越來越廣泛，其耐高溫、高強度、低重量和很好的防腐蝕性能，備受各類體育器材研發(fā)機構的關注。碳材料的應用不僅可以提高各類體育器材的使用舒適性，還能很大程度上提升體育器材的壽命，助推體育事業(yè)的進步。

1碳材料在體育器材應用中的優(yōu)勢

早期體育器材應用方面，使用較多的都是金屬類材料、木質類材料，但是由于這些傳統(tǒng)材料的性能存在的缺陷已經越來越難以適應現代體育器材的需要，面對體育競技激烈性的不斷提高，競爭難度的不斷擴大，新材料體育器材的研發(fā)不斷深入。碳材料體育器材的出現，能夠很好的彌補傳統(tǒng)材料在體育器材中的缺陷，越來越受到體育運動員的喜愛，由于其具有的獨特優(yōu)勢，已經成為部分體育器材研發(fā)的方向。

1.1碳材料體育器材具有質量輕、強度高的特點

在許多的體育運動項目競賽中，都希望所使用的體育器材同時具備質量輕以及強度高這兩個特點，比如網球拍、弓箭、高爾夫球棒、自行車、滑雪板、撐桿等等體育器材。傳統(tǒng)材料很難同時滿足以上兩個特點，而碳材料相較于傳統(tǒng)材料在質量和強度兩方面能夠同時達到很好的效果。碳材料的密度為1.80g/cm³，傳統(tǒng)的金屬材料比如鋼鐵的密度是7.9g/cm³，鋁的密度是2.7g/cm³，碳材料的密度遠遠低于常用的傳統(tǒng)金屬材料，能夠在傳統(tǒng)材料無法滿足的體育器材上得到很好的應用。另一方面，碳材料的強度相較于傳統(tǒng)的體育器材材料非常之高，它是一般鋼鐵材料的3到5倍，是一般木質材料的3到4倍強度，非常適合一些需要高硬度的體育器材。碳材料的這兩大特性決定了現代體育器材中碳材料的應用地位。

1.2碳材料體育器材具有高自由度設計的特點

碳材料的應用是可控可調節(jié)的，可以根據碳材料內部的含量調配，設計出不同強度不同質量的體育器材。根據部分體育項目中體育器材的特殊需要以及體育運動員自身年齡、體力的不同專門設計出符合要求的碳材料體育器材，這種高自由度設計的特點能夠大大提高使用者的器材掌握度，提高競技水平。碳材料在體育器材的設計中可以根據需求設計出滿足不同體育運動的相應器材。通過控制碳材料在基體內的含量，可以對材料的強度進行設計。這樣可以滿足不同的年齡階段的使用者和不同體力的運動員的要求。

1.3碳材料體育器材具有高安全性能的特點

碳材料體育器材，特別是碳纖維復合體育器材中，纖維能夠隨著拉伸力進行應變，部分纖維出現問題也不會影響整體纖維的作用，能夠在使用中很好的保障在材料破壞時，不會馬上導致整體損壞，進一步保障運動員的個人安全，具有高安全性能。

1.4碳材料體育器材具有長使用壽命的特點

碳材料經過專業(yè)研究和實驗，經過百萬次的疲勞實驗后，結果顯示碳材料的強度保留率能夠到達60%左右，甚至一些性能優(yōu)越的碳復合材料能夠達到80%左右，相較于傳統(tǒng)材料鋼材的40%和鋁材的30%，有極大的提高，表現在具體使用過程中，碳材料的使用壽命比傳統(tǒng)金屬材料的使用壽命大大延長。

1.5碳材料體育器材具有強尺寸穩(wěn)定性的特點

熱膨脹系數是材料受到外界熱量影響下，體積或者線度發(fā)生變化的熱物理量，是材料尺寸穩(wěn)定性的物理參數，能夠反映出材料的尺寸穩(wěn)定性能。碳材料和碳復合材料在室溫條件下熱膨脹系數為負數，在兩百到四百攝氏度下碳材料的熱膨脹系數接近于零，在一千攝氏度下也能很好的保持整體尺寸，由此可見，碳材料體育器材熱膨脹系數非常小，碳材料體育器材穩(wěn)定性非常高，十分適用一些持續(xù)高溫的運動場所。

2碳材料在體育器材中應用的主要成型技術

2.1拉擠成型技術

拉擠成型技術主要適用于纖維和織物等復合材料的成型技術中，纖維和織物在外力的牽引下，經過浸潤、擠壓、加熱固化、切割等一系列工藝得到最終的產品。碳材料通過拉擠成型技術在體育器材應用中適用于棒材、管材和其他一些中空材料制品，特別是較長尺寸的體育器材，能夠批量生產，通過控制內部樹脂的含量，可以對體育器材的力學性能進行調控，比如弓箭、魚竿、撐桿等等體育產品。

2.2模壓成型技術

模壓成型技術指的是在規(guī)定的溫度、壓力條件下，通過物料置放于特定金屬模腔中進行固化成型的一種技術方法。碳材料運用模壓成型技術具有其獨特的優(yōu)點，主要生產效率非常高，能夠在大批量體育器材生產中應用，另外生產的體育器材尺寸非常精準，器材表面光滑精致，同時其生產成本相對于其他技術較低，能夠結合自動化技術進行現代化自動機械生產，生產出結構性好、強度高、質量輕的體育器材。

2.3纏繞成型技術

纏繞成型技術通過專有的纏繞機，將碳纖維提前浸潤并纏繞在固定的模具上，逐步固化成型，在脫去模具形成制品的一種方法。它具有顯著的特點，能夠通過碳纖維規(guī)律排布，進一步擴大碳纖維的強度，從而使得制品強度高質量輕，同時這種生產方法能夠實現現代化穩(wěn)定生產，效率高，成本低，適用于曲面體育器材類產品。

2.4RTM成型技術

RTM全稱Resin Transfer Molding，指樹脂傳遞模塑成型，它將樹脂放置于密閉的模具中，通過流動、浸潤然后固化成形的一種生產工藝。RTM成型能夠對產品進行形狀進行提前設定，有利于生產不同形狀的體育器材，成型比較便利，而且綜合性能非常強，又不會對環(huán)境造成很大的污染，成本普遍較低，適合自行車和船體的制造。

3碳材料體育器材應用中的實踐

3.1碳材料高爾夫球桿

碳材料高爾夫球桿歷史由來已經，47年前碳纖維材料就已經開始用于高爾夫球桿的制造，隨著技術的不斷提升，碳材料在高爾夫球桿的研發(fā)升級過程中應用越來越廣。特別是高爾夫球桿的桿頭部位，碳纖維材料應用較多，因其具有高自由度設計，能夠成型出各種需求結構的材料，有效提高高爾夫球桿的專業(yè)性能。使用碳材料制成的高爾夫球桿還能延長擊球時間，加大飛行距離。

3.2碳材料網球拍

網球項目競技比賽也是世界運動中重要的一項體育賽事，網球拍相當于運動員的另一手臂，在比賽中起到很大的影響因子。相對于傳統(tǒng)材料而言，碳材料制成的網球拍綜合性能較強，已經在高端網球拍領域占領了絕對的霸主地位。碳材料網球拍還同時具有強度高和柔韌性強的特點，在使用過程中不會變形，還能減小震蕩，提供優(yōu)越的握持感，有利于提高運動員的競技水平和成績，促進網球運動的發(fā)展。

3.3碳材料自行車

自行車賽中自行車的性能在很大程度上影響著最終的競技成績，高性能的自行車能為運動員提供良好的發(fā)揮空間。碳材料在自行車制造中應用也是越來越多，特別是高端自行車、競技自行車中，碳材料及其復合材料普遍應用。相比于傳統(tǒng)材料的自行車，碳材料自行車能夠有效的降低車身重量，減少自行車的阻力，但是在強度方面又有很大的提高。在結構上，碳材料自行車具有良好的外觀和舒適性，安全方面也有大幅度的提高，滿足體育競技對于自行車的各項要求，是現代自行車的發(fā)展方向。

3.4碳材料撐桿

撐桿跳是世界體育競技中的重要比賽項目，運動員主要的體育器材就是手中的撐桿，因此撐桿的質量和性能直接影響著撐桿跳的競技成績和運動員的安全保障。撐桿的材質經過了木質、竹質、玻璃纖維到現階段應用廣泛的碳材料四個發(fā)展階段。石墨烯是碳材料中的重要材質組成，現階段撐桿主要通過應用石墨烯、碳纖維材料以其他復合材料，能夠很好的降低撐桿重量，同時又能提高撐桿的強度和韌性，在撐桿跳體育競技中能夠為運動員帶來優(yōu)越的彈性勢能，提高撐桿跳體育競技水平和成績。

3.5碳材料弓箭

射箭項目也是體育競技中傳統(tǒng)的一項賽事，對于弓箭的要求特別之高，良好性能的弓箭能夠為運動員提供更高的設計精準度，直接提高射箭項目的體育成績。碳材料制成的弓箭同樣具有高強度輕重量，拉伸強度好，彎曲應力強，能夠直接提高弓箭的專業(yè)性能，在設計速度和設計距離方面相較于傳統(tǒng)材料有大幅度的提高，同時又因抗疲勞能力強，能夠使弓箭短時間內多次張弛，提高弓箭的使用壽命，提升運動員的設計精準度，使運動員更容易獲得佳績。

除此之外，碳材料因其具備的獨特優(yōu)勢和性能，在文中體育器材外的其他領域也是應用廣泛。

4結語

體育競技在現代化全球一體的時代中，已經越來越受到各個國家的重視，為提高體育競技的成績，各種新材料不斷涌現，不斷豐富體育賽事對于體育器材的需求。碳材料的出現，已經成為了體育器材中的重要角色，因此不斷提高碳材料在體育器材中的研究具有十分重要的意義。