碳纖維復合材料在體育器材上的應用*

陳 偉 白 燕 朱家強 孟麗紅

(1.上海工程技術大學服裝學院，上海，201620;2.上海晉飛復合材料有限公司，上海，201108)

碳纖維復合材料在體育器材上的應用*

陳 偉1白 燕1朱家強2孟麗紅1

(1.上海工程技術大學服裝學院，上海，201620;2.上海晉飛復合材料有限公司，上海，201108)

碳纖維及其復合材料不僅在航天航空、汽車及其他工業領域得到廣泛應用，而且也是體育器材開發最好的選材之一。介紹碳纖維增強復合材料(CFRP)應用在體育器材方面的優勢以及成型工藝。通過典型實例闡述碳纖維這種高新技術材料運用于比賽器械，極大地推動了體育運動成績的提高。碳纖維及其復合材料已成為發展現代體育器材必不可少的新材料之一。

碳纖維，碳纖維增強復合材料，體育器材

碳纖維是含碳量很高的無機高分子纖維材料，它“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，而強度卻高于鋼鐵。它有四種產品形式:纖維，布料，預浸料坯和切短纖維。布料指的是由碳纖維制成的織品;預浸料坯是將碳纖維按照一個方向一致排列，并將碳纖維或布料經樹脂浸漬使其轉化成片狀;切短纖維指的是短絲。按照不同的配比，這些產品和樹脂一起應用將形成碳纖維增強復合材料(CFRP)。當前，用來制造體育運動器材的新材料主要是復合材料，而碳纖維復合材料又是其中的佼佼者。從某種意義來說，現代競技運動是一項向人類體能極限挑戰的運動，任何項目世界紀錄微小的提高往往需要和依賴科技的推動。利用新材料提升比賽器材的性能，從而提高運動成績的案例屢見不鮮。

1 碳纖維復合材料用于體育器材的優勢

1.1 質量輕

像撐竿、高爾夫球桿、網球拍、自行車、滑雪板、皮劃艇等靠人力來使其運動的體育器材，人們希望其質量越輕越好;即使是靠人力以外的其他動力來使其運動的器材，如賽車、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質輕為好。碳纖維復合材料在此方面具有不可比擬的優勢，其密度為 1.76～1.80 g/cm3，所制復合材料密度為1.50 ～1.60 g/cm3，而鋼材約為 7.87 g/cm3、鋁材 2.7 g/cm3、鈦材4.5 g/cm3。顯然，CFRP要比金屬材料輕得多。

1.2 高比強度和高比模量

碳纖維復合材料的比強度(單位質量的強度)和比模量(單位質量的模量)分別是杉木的4倍和3倍、梧桐木的3.4倍和4.4倍、鋼材的7～1 2倍和3～5倍。突出的比強度、比模量，使其可用來制造輕而強和剛而堅的各種制品，特別適合于制作體育器材。

1.3 疲勞強度大

碳纖維結構穩定，在其制成復合材料經過百萬次循環應力疲勞試驗后，其強度保留率仍可達60%，而鋼材為40%，鋁材為30%。耐疲勞強度高，使得體育器材的使用壽命更長。

1.4 熱膨脹系數小

碳纖維的熱膨脹系數在室溫時幾乎為負值，當溫度為200～400℃時，其熱膨脹系數為零;當溫度低于1 000 ℃時，其線膨脹系數為1.5 ×10－6K－1。

1.5 破損安全性能好

在碳纖維復合材料中，由于基體的作用，在沿纖維方向受拉時，各纖維的應變基本相同。已斷裂的纖維由于基體傳遞應力的結果，除斷口處不發揮作用外，其余絕大部分纖維依舊發揮作用。個別纖維的斷裂不會引起連鎖反應和災難性的急劇破壞，因而破損安全性能很好。

1.6 阻尼性能好

碳纖維復合材料的聚合物基體具有黏彈性，在基體中和界面上有微裂紋和脫黏的地方還存在著摩擦力，在振動過程中，黏彈性和摩擦力使一部分動能轉換為熱能。因此，其阻尼比鋼和鋁合金大，若采用特定措施還可以使阻尼增大。

1.7 設計自由度大

復合材料成型技術的發展使得設計自由度大大提高。纖維復合材料的一個顯著特點是各向異性，通過改變纖維的鋪疊方向和方式，局部增強或增強某一方向的受力狀況;可根據選手的年齡、性別、技藝水平、體力強弱等不同情況加以設計，最大限度地發揮體育器材的使用效果，這是一般各向同性的金屬材料難以實現的。

2 碳纖維的產品形式及用于體育器材的主要成型技術

碳纖維復合材料通過合理的設計可整體成型，這樣可以省掉許多組合型架和裝配型架，降低生產成本。隨著技術的發展，體育器材的成型方法很多，主要包括纏繞成型、模壓成型、RTM成型、拉擠成型等技術。

2.1 纏繞成型技術

在專門的纏繞機上，將預浸料坯均勻、有規律地纏繞在一個轉動的芯模上，最后固化、除去芯模獲得制品。纏繞成型法既適用于制造簡單的旋轉體，如圓柱體、球體及某些正曲率回轉體或筒形制品，也可用于非旋轉體部件制造。其顯著特點是能夠按照制品的受力情況將纖維按一定規律排布，從而充分發揮纖維的強度，獲得輕質高強的制品;在工藝上能實現連續化、機械化生產，并且生產周期短，生產效率高，勞動強度低;其缺點是制品固化后需除去芯模，不適宜于帶凹曲表面制品的制造。用這種方法可以制成高爾夫球桿和釣魚竿。

2.2 模壓成型技術

模壓成型工藝是在封閉的模腔內借助加熱和壓力固化成型復合材料制品的方法。模壓成型的模具由陰、陽模兩部分組成，增強材料一般為短切纖維氈、連續纖維氈和織物。模壓成型法生產效率高，制品尺寸準確，表面光潔，特別適用于制造大批量以及精度和重復性要求比較高的制品。結構復雜的制品可一次成型，無需有損于制品性能的輔助加工(如車、銑、刨、磨、鉆等)，制品的外觀及尺寸的重復性好。其缺點是:模具設計與制造復雜，初次投資較高，易受設備限制。

2.3 RTM成型技術

RTM(樹脂傳遞模塑，簡稱RTM)是復合材料較為常用的一種成型技術。該技術是將纖維或預成坯鋪放到密閉模腔內，用壓力將樹脂液注入模腔，浸透纖維或預成型坯，然后固化，脫模成型制品。RTM技術的優點是:能夠制造高質量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復雜復合材料構件，無需膠衣樹脂也可獲得光滑的雙表面;產品從設計到投產時間短，生產效率高;RTM模具和產品可采用CAD進行設計，模具制造容易，材料選擇面廣;RTM成型的構件與管件易于實現局部增強或制造局部加厚的構件，帶芯材的復合材料能一次成型;RTM成型過程中揮發少，有利于保護勞動者及生產環境。目前一般使用RTM技術來批量生產自行車和劃艇的身體部分。

2.4 拉擠成型技術

用于連續生產纖維復合材料型材。拉擠是指纖維束或帶狀織物在外力牽引下，經過浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長切割，制成具有特定橫截面形狀和長度不受限制的線型制品的一種方法。它將經過浸漬的連續纖維通過具有一定截面形狀的成型模具，在模腔內固化成型或在模腔內凝膠、出模加熱固化，在牽引機械拉力作用下可連續引拔出無限長的型材制品。拉擠成型工藝簡單，效率高;拉擠法制備制品時，增強纖維沿軸向平行排列，能有效地利用其強度;采用纖維氈增強材料可制備各向同性制品;采用編織帶可提高制品的橫向強度。拉擠制品具有高強、輕質、易裝飾、表面質量好等特點。這些性能對于許多類型的體育設施及相關應用都是很理想的，例如漁竿、弓箭、撐竿、滑雪桿等。

3 碳纖維復合材料在體育器材上的應用實例

碳纖維復合材料的比強度愈高，構件自重愈小;比模量愈高，構件的剛度愈大。因此充分利用碳纖維復合材料的特性，可提升諸多體育項目的成績。

3.1 撐竿

撐竿跳高在第一屆奧運會中就被正式吸收為比賽項目，當時的撐竿由山胡桃木制成，結實沉重，缺乏彈性、儲能本領差的特性讓選手的動能大多被浪費，所以跳出的最好成績只有3.3 m。后來竹竿取代木質撐竿，其中空質輕有利于助跑，彈性有利于能量的轉化。20世紀60年代，運動員開始使用尼龍撐竿，不久尼龍撐竿又被玻璃纖維竿所代替。撐竿材料的不斷改革，使世界紀錄被屢屢新刷。如今撐竿發展到了第四代，玻璃纖維和尼龍已經被性能更優越的碳纖維復合材料取代，而且可根據撐竿受力的差異來設計不同部位的材質，使整體性能最優。最新的碳纖維撐竿可以保證撐竿既柔韌結實又不會斷裂或扭結，它可將運動員持竿快速助跑的動能部分轉變成撐竿的彈性變形能，當撐竿被壓彎到最大弧度后，這部分彈性變形能再釋放出來，轉變成運動員的勢能，幫助運動員騰空躍起，飛越橫桿。

3.2 高爾夫球桿

20世紀30年代的鋼桿是美國標準高爾夫球桿，1972年美國首先采用碳纖維復合材料制成球桿，到1998年碳纖維高爾夫球桿數量大幅度超過鋼桿。高爾夫球桿由握把、桿身、桿頭組成，用碳纖維復合材料制成的高爾夫球桿可減輕重量約10% ～40%。根據動量守恒定理，當高爾夫球桿的總重量一定時，頭重桿輕便于提高揮桿速度，可使球獲得較大的初速度。此外，碳纖維復合材料具有高阻尼特性，可使擊球時間延長，球被擊得更遠。

3.3 網球拍

網球拍的發展趨勢是大型化、輕量化。目前世界上高、中檔網球拍大多采用碳纖維復合材料制成。大型網球拍需要采用重量輕、比強和比模大的碳纖維復合材料來制造，它可以承受比木質拍框更強的網線拉力，以保證擊球時不變形。減振阻尼性好的碳纖維復合材料，在賦予運動員舒適感的同時也使網球獲得了較大的初速度。

3.4 弓箭

在射箭項目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成績的重要途徑，而改善其用具性能的主要方法就是提高弓和箭的比彈性。當今世界最好的弓是碳纖維復合材料系列產品，由碳纖維復合材料制作的弓臂(弓片)可承受50 kg/mm2的彎曲應力，賦予箭最大的初速度和最遠的射程［2］。開弓射箭，一張一弛，碳纖維復合材料的耐疲勞特性是玻璃鋼和金屬材料所無法比擬的，因而所制弓臂的使用壽命更長。

3.5 自行車

隨著現代社會的快速發展，自行車不僅是交通和運輸工具，還具有健身、旅游、競賽等多種功能。高檔自行車的車構架、前叉部件、車輪、曲軸及座位支架等均使用碳纖維復合材料制成，不僅使自行車外觀更具美感，同時也賦予了車體良好的剛性和減震性能。車體重量進一步下降，騎乘舒適性更好。因此一經研制成功，便被用作專門的比賽用車。

此外，碳纖維復合材料在體育用品方面，還可以制造動力雪撬用的彈簧板、冰球棒、游艇、賽艇、賽艇槳、帆船桅桿、摩托車零件、登山用品以及滑翔機、人力飛機、壘球和棒球球棒等。

4 結語

現代科技的飛速發展對體育產生了前所未有的影響，當今世界的體育競爭實質上是科學技術的競爭，而先進、新穎的材料則是提高體育科學技術水平的重要條件之一。如今，在不少運動項目中，人的體能和精神的激發都幾乎達到了極限，勝敗往往只在毫厘之間，僅靠強健的肌肉和良好的競技狀態已很難獲勝，運動員們越來越多地要依靠科學家的智慧，拼的是裝備。人們期望通過運動器材的升級帶動運動員挑戰極限，可以這么說，現代奧運會已不再純粹是比哪個國家的運動員跑得更快、跳得更高、舉得更重，在運動員與運動員較量的背后，是國家與國家科技發展與人心凝聚的綜合大比拼。奧運會上的各項紀錄不僅僅是人類突破生理極限的體現，也是科技創新在體育中的集中展現。

［1］杜希巖，李煒.纖維增強復合材料在體育器材上的應用［J］.山東紡織科技，2007(1):50-52.

［2］賀福.體育運動器材的“黑色革命”［J］.新型碳材料，1989，18(4):8-15.

The application of carbon fiber reinforced plastic in sports instruments

Chen Wei1，Bai Yan1，Zhu Jiaqiang2，Meng Lihong1
(1.College of Fashion Technology，Shanghai University of Engineering Science; 2.Shanghai Cedar Composites Technology Co.，Ltd.)

Carbon fiber and carbon fiber reinforced plastic(CFRP)have been applied extensively not only in aerospace，automobile and other industries，but also in sports instruments.The advantages and molding techniques of CFRP were discussed.Typical examples were also introduced to explain the advantages of this new kind of high-tech material，used in sports competition apparatus.Obviously，the sports performance can be greatly improved based on the CFRP.The CFRP has become one of the necessary new materials used in sports instruments.

carbon fiber，carbon fiber reinforced plastic(CFRP)，sports instruments

TS102

A

1004－7093(2011)08－0035－03

*上海工程技術大學大學生創新活動項目(B－8906－09－0134)

2011－03－07

陳偉，女，1990年生，在讀本科生。研究方向為特種用途的紡織品。

白燕，E-mail:baiyan_12345@126.com