現代體育器械的重要材料

楊磊

摘要：“更快、更高、更強”是奧林匹克的格言，也是現代體育事業的發展方向，體育事業的不斷進步與發展對體育器械也提出了更高層面的要求。體育器械的好壞直接影響體育的競技水平，而體育器械所用的材料直接關系到器材的使用效果，基于此，本文就以炭纖維復合材料為研究對象，探討炭纖維復合材料在現代體育器械上的應用。

關鍵詞：炭纖維;復合材料;體育器械

中國分類號：TQ050.4⁺3文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0085-04

炭纖維復合材料產生于20世紀50年代初，發展至今已廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。炭纖維復合材料應用于體育器械，有著不可小覷的應用價值，不僅實現了體育器械的換代更新，而且在很大程度上促進了體育項目的完善與發展，有力推動體育事業的不斷前進。

1 炭纖維復合材料概念

炭纖維復合材料是由有機纖維經過一系列熱處理轉化而成，炭含量高于90%的無機高性能纖維，這種新材料在力學上具有著優異的性能，不僅有著炭材料的固有性能，而且兼具紡織纖維柔軟和可加工的特性，是一種新型的增強纖維。

2 炭纖維復合材料運用在體育器械上的優勢

以往的體育器械主要以金屬、木質材料為主，而炭纖維復合材料在體育器械上的應用有著傳統器械不可匹及的優勢。

2.1質量輕盈

將炭纖維密度與金屬密度進行比較，可發現炭纖維密度是1.76-1.80g/cm³，炭纖維復合材料密度是1.50～1.60g/cm³，而鋼材密度約7.87g/cm³，鈦密度4.5g/cm³，很明顯，炭纖維復合材料在重量上要比金屬材料輕得多。輕便的體育器材有利于使用者更好地進行運動，發揮水平，因此利用炭纖維復合材料質輕的優點可以為使用者帶來良好的運動體驗。

2.2比強度、比模量高

炭纖維復合材料的比強度和比模量分別是鋼材的7-12倍和3～5倍，梧桐木的3.4倍和4.4倍，高比強度和高比模量可以用來制作輕而剛的運動器械。以上圖表中為幾種常見材料的力學性能比較。

2.3耐疲勞

炭纖維具有穩定的結構，炭纖維復合材料在經過百萬次的疲勞試驗之后，它的強度依舊可以保留在60%左右，而鋼材的強度保留率在40%，鋁材在30%。炭纖維復合材料具有強大的抗疲勞能力，可以在很大程度上延長體育器械的使用壽命。

2.4低熱膨脹系數

在正常室溫下，炭纖維復合材料的熱膨脹系數近乎為負值;在200-400℃的時候，它的熱膨脹系數為0;在溫度低于1000℃時，熱膨脹系數是1.5x10⁶K。

2.5破損安全性能高

在斷裂的炭纖維復合材料中，在基體作用下，除了斷裂口不產生作用之外，剩下的大部分炭纖維依舊可以發揮其作用，小部分纖維的斷裂不會能影響整體的破壞，因此，炭纖維復合材料運用于體育器械中具有較高的破損安全性。

2.6阻尼大

炭纖維復合材料的聚合物有粘彈性和摩擦力，發生振動的時候，粘彈性和摩擦力可以實部分動能轉為熱能。因此，炭纖維復合材料比鋼、鈦合金的阻尼要大。

2.7設計自由

各向異性是炭纖維復合材料的一個重要特征，通過改變纖維的鋪疊方向和鋪疊方式，使某個方向或某個局部的受力情況增強，因此，炭纖維復合材料的運用在器械的設計上更加自由，最大程度地發揮體育器械的使用效果。

2.8其他方面

體育器械的研發不僅要考慮自生身性能，性價比與衛生問題也要納入考慮的范圍。炭纖維復合材料的體育器械衛生性強，一般可以進行回收，重復利用，而且復合材料的原材料價格較低，極大降低制作成本，有利于炭纖維復合材料器械產品的推廣與普及。

3炭纖維復合材料在體育器械上的成型技術

3.1纏繞技術

纏繞成型技術分為干法纏繞（如下圖）和濕法纏繞，把碳纖維預浸料均勻、有規律地纏繞在纏繞機芯模上，進行固化以后，去除芯模獲得制品。纏繞成型技術比較適用于簡單的旋轉體和非旋轉體的制造，可以根據制品的受力情況將纖維按規律排布，充分利用纖維的強度特性，從而制成質量輕且強固的制品。

3.2模壓技術

模壓成型的模分為陽模和陰模兩部分，將連續、短切纖維氈和織物作為增強材料。模壓技術制作出來的制品不僅表面光潔而且尺寸精準，生產效率也很高，因此模壓成型技術特別適于高精度制品的大批量制作。

3.3RTM技術

RTM（樹脂傳遞模塑）是一種常見的復合材料成型技術，RTM技術不需要膠衣樹脂便能制出光滑的雙表面，可以制造出高精度、高纖維含量的高質量復雜復合材料。RTM成型中有害氣體與物質揮發較少，有利于維持良好的生產環境，保證勞動者的健康安全。目前，自行車與劃艇的主體部分的批量生產多是利用RTM成型技術。

3.4拉擠技術

拉擠成型技術是利用外力將帶狀織物或者纖維束經過浸膠、擠壓、固化、定長切割之后而制成的線型制品。拉擠成型技術效率高且工藝簡單，應用于炭纖維復合材料的體育器械的制作是非常理想的。

4 炭纖維復合材料在現代體育器械上的應用實例

4.1高爾夫球桿

早起期的高爾夫球桿棒頭采用較為沉重的柿木，但由于柿木較重不利于運動員隨意掌控和發揮。20世紀30年代美國的標準高爾夫球桿是杠桿，直到1972年，美國利用纏繞法把炭纖維增強復合材料制成了黑桿，淘汰了以往的高爾夫球桿。由于炭纖維的可塑性，黑桿在設計上可實現更大維度，使球在飛行中更加穩定。隨著炭纖維復合材料的不斷研發，也對高爾夫球桿進行著不斷的完善，增加球桿的使用壽命，令球桿在性能上更加穩定，使使用者完美發揮球技，將炭纖維復合材料有著廣闊的市場前景。

4.2撐桿

撐桿跳高是一項重要的奧運會比賽項目，早期的撐桿主要材料是山胡核桃木，盡管此材料的撐桿很結實，但是沉重、儲能差、彈性低等缺陷極大影響了運動員正常水平的發揮。撐桿經歷了由山胡核桃木→竹竿→尼龍撐桿→玻璃纖維桿再到如今的炭纖維撐桿，炭纖維撐桿在硬度上不僅柔韌而且扭結不會斷裂，可以把運動員持竿助跑的動能轉化為撐竿的彈性變形能，在撐竿被壓到最大弧度的時候，彈性變形能就會再次釋放出來，從而成為運動員的勢能，幫助運動員實現騰空躍起，飛越橫桿。

4.3滑雪板

近年來，滑雪運動受到了廣泛關注，越來越多的人加入了滑雪運動中。滑雪板作為滑雪運動的關鍵器材，不僅對滑雪者的滑雪成績有重要影響，對使用者的安全也有著密不可分的關系。現今市面上性能較好的滑雪板一般是由玻璃纖維等復合材料制作而成，比以往的木質、金屬滑雪板質量上更輕、減震性能更高、使用壽命更長，也在很大程度上保證了運動員的滑雪安全。

4.4網球拍

網球拍是一種較為常見的運動器材，當前市場中、高檔的網球拍基本都是利用炭纖維復合材料來制作的（詳見網球拍軸向剖視圖）。利用炭纖維復合材料制成的球拍具有良好的減震功能，延展性好，可塑性強。在大型網球拍的制作上，相比于過去的木制網球拍，同樣重量之下，炭纖維復合材料制成的球拍面積可擴大越1.5倍，網線張力提升越20%-45%。由于炭纖維復合材料阻尼大，因此不容易起振，起振后也容易停振，提升運動員在打球時手部的舒適度。

4.5自行車

隨著社會的發展，自行車不再僅是一種交通工具，更成為一種健身、競賽器材，因此需要對自行車材質進行改良，滿足人們的不同需求。炭纖維復合材料制成的高檔自行車，不僅使自行車的美感增加，也可以完善自行車的剛性和減震性能，降低車體重量，增強騎乘舒適度。

4.6射箭

在射箭運動中，弓臂、瞄準器及穩定器都可以用炭纖維復合材料制作而成。利用炭纖維復合材料制作的弓臂不僅在重量上更加輕盈，而且加強了弓臂的彎曲模量和強度，對運動員施加的最大彎曲應力可以有效承受。炭纖維復合材料還可以用來制作箭桿，相比以往的竹子箭桿、玻璃鋼箭桿、鋁合金箭桿具有較好的比強度和比模量，也可以很好地提高箭桿的初速度和命中率。

此外，炭纖維符合材料還應用于冰球棒、游艇、賽艇、帆船桅桿、登山用品、滑翔機、壘球、釣魚竿等諸多體育用品方面，是當代體育器械的重要材料。

5 結語

綜上所述，炭纖維復合材料是體育器械的一種重要材料，在體育器械中有著極高的應用價值。隨著科技的發展與成熟，體育器械也需要與時俱進，充分利用高科技炭纖維復合材料來優化器械的應用體驗，這不僅滿足了現代競技體育的發展要求，也推動了全民體育活動的高質量開展，為體育事業的長遠發展提供了有效支撐。