權(quán) 華

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710300)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，群眾對(duì)體育器材、裝備的要求也越來(lái)越高，使用新型材料加工而成的體育裝備市場(chǎng)份額也不斷提升。不斷開(kāi)發(fā)新型材料使之與體育器械、裝備的發(fā)展需求相匹配，已經(jīng)具備了充分的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。以高分子材料為代表的體育器材新型加工材料，具有典型的質(zhì)量輕、機(jī)械性能良好、耐腐蝕性強(qiáng)、設(shè)計(jì)自由度高、可以進(jìn)行復(fù)雜工藝的加工成型等特征，被西方發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用于各種類型體育器材的加工與設(shè)計(jì)領(lǐng)域。我國(guó)應(yīng)用新型材料進(jìn)行體育器材加工的時(shí)間較短，相關(guān)的研究也較為匱乏［1］。本文基于此背景，對(duì)體育裝備先進(jìn)材料的使用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的價(jià)值進(jìn)行了梳理，總結(jié)了不同運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域所使用的新型體育先進(jìn)材料類型與性能。

1 體育裝備材料發(fā)展歷程

進(jìn)入21 世紀(jì)后，各類型高新材料如鈦合金、鎂合金以及碳纖維復(fù)合材料等逐漸開(kāi)始應(yīng)用于各體育器材、裝備。因具備優(yōu)良的力學(xué)特征，新型材料在機(jī)械性能、物理特征等方面表現(xiàn)異常良好。由于新型材料普遍具備高強(qiáng)度、重量輕、耐腐蝕、韌性好、易于加工成型等特征，顯著提升了體育裝備、器材等的綜合性能［2］。碳纖維復(fù)合材料、鎂基材料、石墨烯材料等逐漸被現(xiàn)代體育器材、裝備設(shè)計(jì)與加工領(lǐng)域認(rèn)可。以運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地建設(shè)領(lǐng)域?yàn)槔?，?dāng)前可用于鋪設(shè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的硅橡膠材料已經(jīng)逐漸被開(kāi)發(fā)出5000 多種，可以廣泛應(yīng)用于各類型跑道和運(yùn)動(dòng)、訓(xùn)練場(chǎng)地的鋪設(shè)，其產(chǎn)量與鋪設(shè)面積均獲得飛速發(fā)展。

2 體育裝備先進(jìn)材料分類

2.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）材料力學(xué)性能極為優(yōu)異，相對(duì)密度約為一般鋼材材料的1/4；抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于一般鋼材，基本都在3500MPa 以上；抗拉彈性模量約為23000MPa ～43000MPa，同樣遠(yuǎn)高于一般鋼材材料；CFRP 比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）可高達(dá)2000MPa/(g/cm3)以上，遠(yuǎn)高于一般A3 鋼的59MPa/（g/cm3）［3］。碳基復(fù)合材料可被廣泛應(yīng)用于各類型球拍、自行車、F1 賽車、劃槳等運(yùn)動(dòng)器材與裝備領(lǐng)域。一般碳纖維復(fù)合材料制備流程如圖1 所示。

圖1 不同碳纖維材料成型方法Fig. 1 Different carbon fiber material forming methods

2.2 石墨烯及其復(fù)合材料

石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來(lái)，由C 原子以sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料（圖2）。石墨烯材料是當(dāng)前自然界最薄的材料，僅有一層原子厚；同時(shí)也是強(qiáng)度最高的材料，其斷裂強(qiáng)度高于最佳鋼材材料的200 倍［4］。蒙釗等在氧化石墨烯纖維中添加一定量的酚醛樹(shù)脂，利用無(wú)定形碳化加工使新生成的無(wú)定形碳存在于石墨烯片層之間，從而彌補(bǔ)了纖維內(nèi)部的部分缺陷，保證了復(fù)合材料纖維的致密化［5］。利用該方法加工而成的石墨烯基碳纖維復(fù)合材料性能進(jìn)一步增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率分別可高達(dá)1.45 GPa、1.8 %，較一般純石墨烯材料提高了113 %和38 %；楊氏模量達(dá)到了120 GPa 以上［5］。氧化后的石墨烯復(fù)合材料可以被廣泛應(yīng)用于各類型體育器械如競(jìng)速運(yùn)動(dòng)頭盔、撐桿跳運(yùn)動(dòng)中的撐桿、羽毛球網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中的球拍等領(lǐng)域，能夠?yàn)槭褂萌藛T提供超高的防護(hù)性能、支撐性能，大大降低使用過(guò)程中人體的能量損耗。

圖2 石墨烯材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 2 Internal structure of graphene material

2.3 納米材料

納米材料（nanophase materials）是以尺寸小于100nm（0.1～100nm）為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)、具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維、三維超細(xì)顆粒構(gòu)成材料的總稱［6］。納米材料這一概念最早形成于20 世紀(jì)80 年代，由于納米材料具有優(yōu)良的表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)，因而具備了一般材料無(wú)法比擬的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能。在與體育器材加工領(lǐng)域接觸后，迅速被廣泛應(yīng)用于各類型球拍、新型競(jìng)技服裝以及運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)器材皮膚接觸面等領(lǐng)域。按照材料形態(tài)區(qū)分，幾種典型的納米材料及其特性如圖3 所示。

圖3 典型納米材料及其特性Fig. 3 Typical nanomaterials and their properties

2.4 其他材料

除以上材料外，在體育器材加工領(lǐng)域應(yīng)用較多的新型材料有紡織復(fù)合材料、生物工程塑料、牛頓流體材料等。其中紡織復(fù)合材料芳綸等除具有強(qiáng)度模量高、耐磨以及抗老化能力強(qiáng)外，還具有遠(yuǎn)高于一般織物的抗沖擊性能，在某些冰上運(yùn)動(dòng)如滑冰、冰球運(yùn)動(dòng)中，使用芳綸等加工而成的運(yùn)動(dòng)員服裝具備防刺、防割等屬性，能夠有效防止運(yùn)動(dòng)競(jìng)技過(guò)程中發(fā)生意外風(fēng)險(xiǎn)。生物工程塑料具備優(yōu)良的力學(xué)性能和氧氣透過(guò)率，利用長(zhǎng)纖維對(duì)生物工程塑料進(jìn)行改性之后，能夠被廣泛應(yīng)用于各類型防護(hù)用具、服飾、鞋襪等的加工當(dāng)中。利用生物工程塑料加工而成的體育器材，同時(shí)具備強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、韌性強(qiáng)等特點(diǎn)，全面提高了競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)安全性，同時(shí)也能夠顯著提升運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平。

3 先進(jìn)材料體育裝備對(duì)競(jìng)技體育的影響

3.1 碳纖維材料對(duì)自行車運(yùn)動(dòng)的影響

傳統(tǒng)競(jìng)技自行車多使用鋁合金等材料加工而成，具有自重大、騎行輸出力小等劣勢(shì)，利用碳纖維等材料加工而成的競(jìng)技賽車具有車架結(jié)構(gòu)易成型、輕量化、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，能夠顯著降低運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技過(guò)程中因自行車車重帶來(lái)的額外體力消耗，同時(shí)由于車身整體剛性高，利用碳纖維材料加工而成的零部件能夠顯著降低競(jìng)技過(guò)程中因意外碰撞事故造成車身?yè)p壞進(jìn)而影響競(jìng)技成績(jī)的現(xiàn)象。競(jìng)技用自行車碳纖維零部件及主要性能優(yōu)化情況見(jiàn)表1。

1989 年，自行車運(yùn)動(dòng)員葛賽格· 雷蒙斯利用碳基增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)原車把手進(jìn)行改裝，增加了一具備空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)的墊充管，從而獲得了更小的空氣阻力，大幅提升了運(yùn)動(dòng)競(jìng)技成績(jī)［7］；梁利平等利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)車輪輻數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得了最低輻數(shù)為3 但是整體強(qiáng)度極高且自重大幅降低的新型自行車，有效提高了運(yùn)動(dòng)員騎行輸出力［8］；孫晉媛利用新型材料對(duì)競(jìng)技自行車的制動(dòng)部進(jìn)行加工，替換掉傳統(tǒng)的金屬磨盤(pán)等部件，大幅提升了競(jìng)技自行車的制動(dòng)性能和耐磨性能［9］。1964年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)室內(nèi)自行車400 米追逐賽中，Delas 使用5分5 秒完成比賽，此時(shí)所使用的自行車已經(jīng)是當(dāng)時(shí)各項(xiàng)科技最為先進(jìn)的金屬材質(zhì)競(jìng)技自行車；而到了1992 年巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)同樣的比賽項(xiàng)目中，博斯德曼使用全碳纖維材質(zhì)加工而成的新型自行車，僅用了3 分22 秒時(shí)間便完成了競(jìng)技［10］?？梢?jiàn)，先進(jìn)材料顯然能夠大幅提升自行車運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平。

3.2 石墨烯復(fù)合材料對(duì)拍、桿等類運(yùn)動(dòng)的影響

石墨烯及其復(fù)合材料在球拍、球桿類運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域運(yùn)用主要集中在羽毛球球拍、網(wǎng)球球拍、高爾夫球桿、棒球、滑雪桿等領(lǐng)域。以網(wǎng)球拍為例。最初的網(wǎng)球拍由上好的橄欖木、楓木等材料加工而成，彼時(shí)的男性網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員平均擊球速度最高不過(guò)120Kin 左右。隨著先進(jìn)材料在網(wǎng)球領(lǐng)域的不斷使用，一種由聚氨酯芯、84% 石墨、12%的純氧化鋁陶瓷、4% 的其他纖維材料加工而成網(wǎng)球拍問(wèn)世［11］。該球拍中的石墨大幅提高了網(wǎng)球拍整體強(qiáng)度與輕度（僅310g 左右），可降低拍頭歪斜程度，進(jìn)而增加網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中常見(jiàn)的“甜蜜點(diǎn)”現(xiàn)象發(fā)生幾率。同時(shí)該球拍大幅降低了擊球時(shí)的球拍震顫現(xiàn)象，降低對(duì)人體的沖擊。在使用該新型網(wǎng)球拍條件下，一般男性網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員平均擊球速度可達(dá)160Kin，對(duì)人體沖擊力約等于瞬間舉起75公斤重物。

3.3 納米材料對(duì)運(yùn)動(dòng)服飾的影響

使用納米材料加工而成的紡織品，不會(huì)對(duì)紡織物本身的透氣型和手感產(chǎn)生任何負(fù)面影響，因而被廣泛應(yīng)用于水上運(yùn)動(dòng)、冰上運(yùn)動(dòng)等的服飾加工領(lǐng)域。通過(guò)納米材料改性，原紡織面料能夠具備防水、透氣、保暖等多種特性。同時(shí)，由于不同納米材料具有不同的性能延展性，因而可以利用納米材料對(duì)某些傳統(tǒng)服飾易造成感染、霉變的部位如腋下、臀部、腰部等，使運(yùn)動(dòng)衣或服飾在冬季能夠保暖、防水、耐洗滌，夏季能夠抗菌、防霉變、抵御病毒，進(jìn)而全面提升運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)舒適性和安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

體育器材、裝備的生產(chǎn)與加工，需要在充分考慮運(yùn)動(dòng)人員受負(fù)荷身體關(guān)節(jié)、韌帶及組織物化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用力學(xué)、材料學(xué)以及機(jī)械原理對(duì)器材、裝備的結(jié)構(gòu)與加工材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇，從而充分保證體育裝備的舒適性和性能。本文對(duì)體育器材、裝備中先進(jìn)材料的性能和使用情況進(jìn)行全面梳理，旨在幫助材料及體育領(lǐng)域開(kāi)發(fā)更多能夠提升運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平和運(yùn)動(dòng)舒適性的先進(jìn)材料。