張育新 張悅 向祖兵
摘? 要:復(fù)合材料是運(yùn)用先進(jìn)制備技術(shù)將不同材料組分優(yōu)化合成的新材料。相比傳統(tǒng)的木料、鋼鐵等,復(fù)合材料具有密度小、力學(xué)性能好、可設(shè)計(jì)和可加工性強(qiáng)、耐久性、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),在化工、汽車、電子電氣、醫(yī)學(xué)、航空航天、鐵路建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來,由于對(duì)復(fù)合材料上述優(yōu)勢(shì)的不斷研究與利用,大大提高了我國體育用品的性能和質(zhì)量,復(fù)合材料逐漸在體育用品領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。本文歸納了復(fù)合材料應(yīng)用于體育用品領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)所在,并分別對(duì)不同復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析,展望了其發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞:復(fù)合材料;體育用品;應(yīng)用
中圖分類號(hào):G818? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? 文章編號(hào):1673-7164(2020)42-0055-06
體育已成為體現(xiàn)綜合國力、激發(fā)民族精神的宏偉事業(yè)。根據(jù)中國體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2019),我國體育用品制造業(yè)增加值從2014年的2547億元增長到2017年的3265億元,從增長速度看,2014至2017年的行業(yè)年均增速為10.5% [1],這為復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極大的發(fā)展空間。復(fù)合材料種類很多,主要有纖維復(fù)合材料、塑料復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料等,具有密度小、抗震性能強(qiáng)、易加工成型等優(yōu)勢(shì)。在體育用品領(lǐng)域,體育器材行業(yè)要可持續(xù)發(fā)展,必須根據(jù)不同使用者,尤其是優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的需求來進(jìn)行器材研發(fā)。在某種程度上,體育競(jìng)技也是科技的競(jìng)技,隨著競(jìng)技體育的競(jìng)爭日趨激烈,復(fù)合材料體育器材裝備的研發(fā)大有可為。
一、復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
(一)密度小
體育器材與體育運(yùn)動(dòng)是相互促進(jìn)的,而大多體育運(yùn)動(dòng)都是通過人力進(jìn)行的,較重的運(yùn)動(dòng)器材對(duì)運(yùn)動(dòng)員來說反而是一種負(fù)擔(dān)。為了盡可能發(fā)揮運(yùn)動(dòng)員的真實(shí)水平,大多運(yùn)動(dòng)器材都會(huì)采用質(zhì)輕的材料,例如帆船、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿等。傳統(tǒng)的木材雖然質(zhì)輕,但由于其易損壞,不耐久等缺點(diǎn)而逐漸被金屬取代。大多復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬的密度(如表 1所示) [2],其優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。
(二)力學(xué)性能好
復(fù)合材料的塑性、強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗震性和彈性等力學(xué)性能都遠(yuǎn)超木材、鋁合金、鋼鐵等材料(如表 2所示) [3]。酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料等熱固性復(fù)合材料所制造的器材在靜載荷作用下能夠抵抗永久變形或斷裂,而如聚氯乙烯一類的熱塑性復(fù)合材料又能夠在荷重時(shí)發(fā)生永久變形卻不被破壞。
以網(wǎng)球拍為例,對(duì)采用普通材料和碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行最大受力工況應(yīng)力應(yīng)變分析。當(dāng)材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí),它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化,這種形變稱為應(yīng)變。材料發(fā)生形變時(shí),物體內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力,單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。采用Ansys進(jìn)行受力分析,首先在Ansys19.workbench中劃分網(wǎng)格,并施加邊界條件和受力條件,如圖 1所示。普通材料及碳纖維材料的應(yīng)力及應(yīng)變分析結(jié)果分別如圖 2、圖 3所示。
(三)可設(shè)計(jì)和可加工性強(qiáng)
復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料組合而成,基體材料主要有鋁、鎂、橡膠、石墨等金屬和非金屬,增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、硼纖維和芳綸纖維等。各種組合成分的比例改變,或加入一種新的材料,整個(gè)材料的性能也會(huì)發(fā)生巨大的改變。復(fù)合材料的加工方式多種多樣: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)等,可根據(jù)使用者的需求設(shè)計(jì)出最適合他的器材。不僅如此,復(fù)合材料因其自身可塑性強(qiáng),其二次修護(hù)也是極為方便的,可以大大節(jié)省維修費(fèi)用。
(四)耐久性
傳統(tǒng)的戶外運(yùn)動(dòng)器材大多采用鋼鐵,因?yàn)殚L時(shí)間暴露在外,經(jīng)過風(fēng)吹日曬,會(huì)逐漸生銹被腐蝕。因此,戶外運(yùn)動(dòng)器材往往存在很大的安全隱患。而復(fù)合材料因其良好的耐水性、耐腐蝕性和耐熱性等(如表 3所示) [4],能夠長時(shí)間暴露在外而不受影響,大大延長了器材的使用壽命。
(五)綠色環(huán)保
大多運(yùn)動(dòng)器材都會(huì)與運(yùn)動(dòng)員的身體部位直接接觸,若采用的材料揮發(fā)出有毒氣體,如乒乓球拍使用的膠黏劑釋放甲醛,橡膠釋放有毒硫化物等,必定會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身體產(chǎn)生危害,還會(huì)污染環(huán)境。復(fù)合材料安全環(huán)保,部分材料能夠二次回收利用,衛(wèi)生性強(qiáng),無論對(duì)環(huán)境還是人體,都十分友好。
二、不同復(fù)合材料的性能
(一)纖維復(fù)合材料
芳綸復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料是主要的兩種纖維復(fù)合材料。齊佳認(rèn)為,芳綸用具在體育防護(hù)用具中能夠充分發(fā)揮自身耐酸堿、強(qiáng)度高、可紡織性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其密度能夠達(dá)到1.42~1.45g/cm3 [5]。賈琳分析得出芳綸材料最優(yōu)秀的力學(xué)性能是0°拉伸強(qiáng)度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃纖維材料或碳纖維材料,制作的防護(hù)用具有較好的透氣性和減震性,在危險(xiǎn)系數(shù)較高的運(yùn)動(dòng)中能夠有效緩解沖擊,但也存在壓縮強(qiáng)度低以及不耐紫外線照射的問題 [6]。碳纖維復(fù)合材料具有碳材料的固有本性特征和纖維的柔軟可加工性,其研究與生產(chǎn)得到了全世界的重視,其中日本、美國的投入與研究最多 [7]。20世紀(jì)80年代,意大利,法國,英國和美國相繼開發(fā)了碳纖維自行車,它的強(qiáng)度、硬度和性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的自行車 [8]。孫晉媛指出,應(yīng)用了柔韌性非常理想的全掌碳纖維底盤的運(yùn)動(dòng)鞋,能使運(yùn)動(dòng)員從地面獲取更大的反作用力;通過特氟綸纖維設(shè)計(jì)的泳衣能夠減小水流的阻力 [9]。由此可見,各國對(duì)纖維復(fù)合材料的研究都極為重視,且研究成果矚目。纖維材料在體育用品領(lǐng)域的使用必將成為一種全球化潮流和趨勢(shì),體育器材行業(yè)對(duì)纖維復(fù)合材料的需求量也會(huì)越來越大。
(二)塑料復(fù)合材料
塑料復(fù)合材料大多由高聚物基體和不同增強(qiáng)體復(fù)合而成,使用壽命長,優(yōu)異的成型工藝使得塑料復(fù)合材料器材易于實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的目標(biāo),能夠及時(shí)滿足體育器材行業(yè)的需求。江偉指出,不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯等是典型的塑料復(fù)合材料,基于纏繞成型的工藝方法,不飽和聚酯可以用來制造高爾夫球棒,環(huán)氧樹脂還可用于制造堅(jiān)固耐用的攀巖墻 [10]。張建龍分析得出聚氨酯材料在滑板制造中被大量使用,這是化學(xué)合成的硬橡膠,通過材料比例的改變以達(dá)到不同路面所需的硬度和彈性要求,具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性 [11]。不僅如此,聚氨酯材料安全等級(jí)高,局部遭到破壞不會(huì)對(duì)整體造成影響,以聚碳酸酯為原材料的護(hù)目鏡即便破裂也不會(huì)對(duì)眼睛造成損傷。
(三)鎂基復(fù)合材料
鎂基復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度高,具有良好的耐磨損性,是金屬基復(fù)合材料中比強(qiáng)度和比模量最高的一種,適用于體育競(jìng)爭中高強(qiáng)度、經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨損的體育器材領(lǐng)域,但由于是金屬基復(fù)合材料,其原料成本問題也是不可忽視的。任祥鈺等人經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析得出室外的體育器材受溫度的影響較大 [12],我國有的地方夏天曬烤溫度可達(dá)700℃,而冬天低至-500℃,采用鎂基復(fù)合材料制作而成的腰背按摩器、戶外雙杠、健身轉(zhuǎn)盤等戶外運(yùn)動(dòng)器材,其性能不會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓档?,有著較強(qiáng)的韌性和安全性。不僅如此,鎂基復(fù)合材料還被應(yīng)用于自行車,網(wǎng)球拍等領(lǐng)域。受制備工藝和材料成分的影響,目前除碳纖維增強(qiáng)體外,其他增強(qiáng)體鎂基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用較少,缺乏多樣性,因此,對(duì)該類復(fù)合材料的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的深入研究。
三、復(fù)合材料在不同體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用
(一)水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施
水上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目包括賽艇、帆板、皮劃艇等,全程在水上完成,為確保水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施在水中的安全性和穩(wěn)定性,主要采用不滲水、耐腐蝕的塑料復(fù)合材料和高強(qiáng)度的纖維復(fù)合材料。不飽和聚酯因其柔韌性與耐酸性良好,通常將其與纖維材料復(fù)合應(yīng)用于制作皮劃艇的艇身結(jié)構(gòu) [12]。賽艇艇身部分大多采用芳綸纖維復(fù)合材料,艇身骨架采用高強(qiáng)度的玻璃纖維增強(qiáng)塑料,槳?jiǎng)t大多使用泡沫夾層板。在沖浪板、滑水板等設(shè)施中,其表層材料由聚氨酯泡沫和纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合而成,內(nèi)層則使用乙烯基樹脂和聚氯乙烯所構(gòu)成的復(fù)合材料 [13]。但聚苯乙烯、聚氨酯等復(fù)合材料的高毒性往往會(huì)危害工人的身體健康乃至環(huán)境,Truc T. Ngo等人研究的生物基聚合纖維復(fù)合材料可被生物降解,制成的體育用品在使用壽命結(jié)束后能夠降解成對(duì)環(huán)境友好的副產(chǎn)物,同時(shí)不會(huì)影響強(qiáng)度等性能 [14]。水上運(yùn)動(dòng)逐漸成為人們的新寵,水上自行車、水中大滾筒、風(fēng)箏沖浪等新型水上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目逐漸增多,這也就意味著需要更多新型的復(fù)合材料來滿足水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施的需求。高強(qiáng)度、耐腐蝕的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及可生物降解的聚合纖維材料在水上運(yùn)動(dòng)用品領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景 [15]。
(二)球類運(yùn)動(dòng)設(shè)施
球類運(yùn)動(dòng)設(shè)施中的擊球工具主要采用高強(qiáng)度、高彈性的芳綸和碳纖維復(fù)合材料,而球類為保證使用壽命,主要采用耐磨、耐沖擊的塑料復(fù)合材料。用于制造這類設(shè)施的復(fù)合材料除了要考慮提升球類的品質(zhì)和速度,減輕工具的質(zhì)量,還要考慮使用者的舒適度,達(dá)到減震吸能的效果,確保使用者能夠發(fā)揮出真正的技術(shù)。
Zhang指出,現(xiàn)在的高爾夫球桿大多采用碳纖維復(fù)合材料,其質(zhì)量輕,強(qiáng)度高,彈性高,耐沖擊,提升了高爾夫球的飛行距離和飛行的穩(wěn)定,也使運(yùn)動(dòng)員能夠充分發(fā)揮高爾夫球的強(qiáng)度和技術(shù) [16]。Yang總結(jié)出碳纖維網(wǎng)球拍減震性能較好,不易變形,其張力較普通的球拍提升20%~45%左右,增加球與網(wǎng)的接觸時(shí)間可以改變球的初速度 [17]。由于芳綸材料比碳纖維的延展性更低,部分網(wǎng)球拍會(huì)采用芳綸纖維。碳纖維網(wǎng)球拍比芳綸稍硬,產(chǎn)生的振顫稍大,往往在球拍柄注射巢狀的聚氨醋泡沫來降低振顫力度,提高運(yùn)動(dòng)員的舒適感 [8]。另外,Wang分析認(rèn)為,在乒乓球拍底板中加入碳纖維復(fù)合材料,可大大提高球拍的硬度,增加擊球瞬間的靈敏度,縮短球在底板上的停留時(shí)間,且有利于降低擊球弧度 [18]。常見的球類有高爾夫球、保齡球、棒球等,其中高爾夫球以發(fā)泡離子樹脂作為主要材料,具有高旋轉(zhuǎn)性和擊球感。張文新等人針對(duì)保齡球外殼進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)異氰酸酯、低聚物多元醇、擴(kuò)鏈劑和多種功能助劑的種類和用量進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和考察,制造出了質(zhì)量優(yōu)良,抗摔次數(shù)高達(dá)800多次,高耐磨、高彈性、耐沖擊的新型聚氨酯保齡球外殼 [19]。
(三)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地
運(yùn)動(dòng)員和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地之間的動(dòng)態(tài)相互作用對(duì)運(yùn)動(dòng)員極為重要,著陸沖擊力受運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地材料的強(qiáng)烈影響,目前運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地材料主要以能夠吸收沖擊力的塑料復(fù)合材料為主。專業(yè)的體育競(jìng)技比賽地板普遍地應(yīng)用一種新的、米粒大小的橡膠碎片,因其具有良好的緩沖性、柔軟性和彈性。這種地板大大降低了地板對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體的沖擊力度,在保護(hù)運(yùn)動(dòng)員身體的同時(shí),該地板的空氣伸縮性以及空氣彈力層也達(dá)到了理想的消音效果 [20]。目前,傳統(tǒng)的水泥運(yùn)動(dòng)場(chǎng)已逐漸被聚氨酯塑膠跑道代替。聚氨酯塑膠的高彈性可減少運(yùn)動(dòng)者體力消耗,有效保護(hù)其腳和膝關(guān)節(jié);理化性能穩(wěn)定,耐氣候老化性能優(yōu)良;良好的室溫成型效果,適合大面積施工鋪設(shè);沒有大量灰塵,也更容易保養(yǎng)維護(hù),適合學(xué)校高頻率高強(qiáng)度的使用 [21]。不僅如此,這種塑膠跑道耐磨耗性小于2.5%,抗釘力強(qiáng),在受力最大、使用最頻繁的百米起跑點(diǎn),也不會(huì)受釘鞋或起跑架破壞,是國際上公認(rèn)的最佳全天候室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地坪材料。但這種跑道帶來的環(huán)境問題也是不可忽視的,原料聚合過程中易混入毒性較強(qiáng)的甲醛、TDI等,塑料成型使用的固化劑含有對(duì)人體有害的重金屬,并且一個(gè)400 m長的標(biāo)準(zhǔn)田徑場(chǎng)地的塑膠跑道壽命為8~10年,之后產(chǎn)生的跑道垃圾為175 t [22]。因此,需要繼續(xù)對(duì)原料和施工方式做出改進(jìn),購買質(zhì)量合格的原料,培養(yǎng)技術(shù)過硬的質(zhì)檢人員。對(duì)產(chǎn)生的跑道垃圾也要盡可能回收利用,避免對(duì)環(huán)境造成不可逆的破環(huán)。隨著研究的深入,在解決成本和復(fù)雜的加工方式等問題的基礎(chǔ)上,可采用無毒無公害的硅PU材料和丙烯酸材料 [23],或進(jìn)一步研究合成可生物降解的塑膠材料。
(四)其他運(yùn)動(dòng)設(shè)施
郭華偉指出,近些年滑雪板不斷優(yōu)化升級(jí),提升了減震性能和耐疲勞壽命,特別是由pu或者pvc材料制成的復(fù)合板有一定的彈性,并且伸屈性較強(qiáng),能夠增強(qiáng)整體的滑板韌度,讓滑板具備一定的張力,適用于任何雪地場(chǎng)地,并且價(jià)格適中,性價(jià)比較高 [24]。溜冰鞋的輪子因?yàn)殚L期與地面摩擦而損耗較大,因此采用了高耐磨的聚氨酯材料。聚甲醛材料制作的滑雪杖在實(shí)現(xiàn)所需機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)降低了摩擦力,提升了運(yùn)動(dòng)員的滑雪速度 [9]。當(dāng)今世界上最好的弓由碳纖維復(fù)合材料制成,其弓臂能承受50 kg/mm2的彎曲應(yīng)力,射出的箭可獲得最大初速度和最遠(yuǎn)射程,對(duì)提升運(yùn)動(dòng)員成績有很大的幫助 [25]。
四、結(jié)語
綜上所述,復(fù)合材料較普通材料而言,性能更加優(yōu)越,不僅密度小、力學(xué)性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng),且綠色環(huán)保,符合我國可持續(xù)發(fā)展的理念。復(fù)合材料逐漸被大多運(yùn)動(dòng)愛好者所接受和喜愛,并逐漸應(yīng)用在體育器材的制造生產(chǎn)中。隨著合成與生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展,復(fù)合材料將具有廣闊的市場(chǎng)前景。
現(xiàn)對(duì)該領(lǐng)域提出如下的研究展望:
(1)隨著水上項(xiàng)目的增多,水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施的制造對(duì)新型復(fù)合材料的需求也越來越大,研究者可進(jìn)一步探索碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和生物基聚合纖維復(fù)合材料,其在水上用品領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。
(2)用于制造球類的復(fù)合材料除了需要具備耐磨損、耐沖擊、高強(qiáng)度的特點(diǎn)以外,還需要具備良好的減震吸能效果,以確保使用者的舒適度和安全,避免造成肌肉損傷等問題。
(3)揮發(fā)有毒氣體的塑膠跑道危害著人們的身體健康和環(huán)境,需要進(jìn)一步對(duì)原料和施工方式做出改進(jìn),研發(fā)出低成本且可生物降解的塑膠材料,對(duì)解決大量跑道垃圾的問題大有好處。
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(責(zé)任編輯:鄒宇銘)
作者簡介:張育新(1978-),男,博士,重慶大學(xué)材料學(xué)院教授,研究方向:功能材料合成與應(yīng)用;張悅(1999-),女,本科在讀,重慶大學(xué)材料學(xué)院;向祖兵(1982-),男,博士,重慶大學(xué)體育學(xué)院講師,研究方向:休閑與社會(huì)體育。