碳纖維在幼兒園體育器材方面的發(fā)展前景

朱凱利

摘要：隨著教育體制的改革，許多學(xué)校開始重視體育教育。因此，需要格外注重體育器材的選擇。高質(zhì)量的體育器材不僅可以幫助學(xué)生更好的進行體育運動，而且還可以提升學(xué)生的成績。在體育器材的設(shè)計方面，要應(yīng)用多方面的原理與技術(shù)，例如力學(xué)原理、機械設(shè)計學(xué)以及材料科學(xué)等，其中碳纖維的使用促進了體育器材的發(fā)展。碳纖維是一種新型的纖維材料，相比較于傳統(tǒng)的纖維材料，它具有強度高、韌性好、彈性強等優(yōu)點。在體育器材的設(shè)計過程中使用碳纖維，可以讓體育器材質(zhì)量更好，由此碳纖維在體育器材的設(shè)計方面得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碳纖維;幼兒園;體育器材;前景;

中國分類號：TQ050.4⁺3文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0089-03

對于幼兒園來說，體育運動也是幼兒健康教育的重要部分。科學(xué)合理的體育運動不僅有利于幼兒身體健康發(fā)展，而且還有利于提升幼兒教學(xué)質(zhì)量。體育運動具有鮮明的特點，運動量比較大，而且大多數(shù)體育運動離不開體育器材。因此，研究碳纖維應(yīng)用于幼兒體育器材中是非常有意義的。

1 碳纖維材料應(yīng)用于在體育器材的實例

相比較于傳統(tǒng)纖維材料，碳纖維符合材料具有強度高、模量高等特點，用碳纖維材料做成的體育器材不僅重量小而且剛度大，因此，應(yīng)用碳纖維材料，可以提升體育器材的品質(zhì)，進而提升體育成績。

1.1撐竿

撐桿跳高是奧運會的正式比賽項目。以前的撐桿的材質(zhì)是山胡桃木，雖然非常結(jié)實，但是也有彈性不足、過于沉重的缺點。由山胡桃木制成的撐桿儲存動能不足，導(dǎo)致運動員的最優(yōu)成績只有3.3m，嚴(yán)重埋沒了運動員的實力。后來竹竿代替了木質(zhì)撐桿，竹竿內(nèi)部中空的特點增加了彈性，有利于實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。19世紀(jì)60年代以后，尼龍撐桿開始被廣泛使用。但是沒過多久，玻璃纖維桿取代了尼龍撐桿。但是目前，碳纖維材料開始應(yīng)用到撐桿中，取代了玻璃纖維桿，碳纖維材料具有更加優(yōu)越的性能，不僅大大增強了撐桿的柔韌度，而且還沒非常結(jié)實，不會出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。碳纖維撐桿可以將運動員助跑時候的動能轉(zhuǎn)化為桿自身的能量，最后再轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽埽瑤椭\動員跳的更高。

1.2高爾夫球桿

19世紀(jì)30年代，美國的高爾夫球桿的材質(zhì)是鋼，非常沉重。到了1972年，美國將高爾夫球桿的材質(zhì)變成碳纖維材料。1998年，碳纖維材質(zhì)的高爾夫球桿開始被廣泛使用。碳纖維材質(zhì)的高爾夫球桿具有輕便的特點，方便人們揮桿，這樣會使高爾夫球運行更遠的距離。此外，碳纖維具有高阻尼的特性，可以增加擊球時間，球會飛行的更遠。

1.3自行車

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，自行車的功能逐漸增多，除了具有交通功能以外，還具有健身、競賽以及旅游等功能。目前，市場上高檔自行車的材質(zhì)均為碳纖維材料。碳纖維材料在自行車上的使用，不僅改善了自行車的外觀，讓其更具審美，而且讓自行車的性能更加優(yōu)良，減輕重量，優(yōu)化減震效果。

1.4網(wǎng)球拍

網(wǎng)球也是非常受歡迎的運動項目之一，因此網(wǎng)球拍的性能就成為了人們關(guān)注的重點。現(xiàn)階段，全世界范圍內(nèi)高檔的網(wǎng)球拍都是碳纖維材質(zhì)的。用碳纖維材質(zhì)制成的網(wǎng)球拍具有重量輕、韌性強、受力范圍更大等特點，這樣網(wǎng)球拍就不容易變形，更加耐用。同時，碳纖維材料還具有減震、抗阻的效果，讓網(wǎng)球獲得了更大的初速度，進而可以讓網(wǎng)球運行的距離更遠。

1.5弓箭

在射箭比賽中，為了更好的提高射箭成績，一個有效的方法就是提高弓箭的性能。如果弓箭具有更好的彈性，那么射箭成績就會相應(yīng)提高。目前，全世界范圍內(nèi)最好的弓箭就是用碳纖維材質(zhì)制成的。碳纖維材料制成的弓可以承受更大的彎曲力和拉力，可以讓箭獲得最大的初始速度，進而提高射程。相比較于傳統(tǒng)的金屬材料，碳纖維材料具有更強的耐受力和生命力，因此大大增加了弓箭的使用壽命。

2 碳纖維選用的材料及結(jié)構(gòu)

2.1無機纖維

無機纖維的種類有四種，分別是玻璃纖維、碳纖維、硼纖維以及碳化硅纖維。玻璃纖維由于開發(fā)時間最早，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛使用。玻璃纖維具有剛度強、延展性好、沖擊力強等特點。碳纖維具有比強度高、比模量高及耐熱性好等特點，但同時碳纖維的粘附力低，需要人們在使用時做表面處理。硼纖維具有高強度、高模量等特點，它主要有金屬和增強樹脂構(gòu)成，具有十分優(yōu)良的性能。碳化硅纖維不僅具有耐熱性好、拉力強、比模量高等特點，而且它抗壓性和耐磨性比較強。

2.2高強高模介成纖維

高強度模介成纖維的種類有三種，分別是聚酸胺纖維、聚乙烯纖維、混雜纖維。聚酸胺纖維的粘性比較強，如果與樹脂進行結(jié)合就會制作出特殊的產(chǎn)品，聚酸胺纖維的密度相對來說比較低，而且具有耐熱、強度高的特點。因此如果使用聚酸胺纖維制作體育器械，就會得到拉伸強度好的體育器械。聚乙烯纖維也是常見的一種纖維，它具有密度低、強度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是聚乙烯纖維也有缺點，那就是粘性非常差，必須要對其進行表面處理才能使用。混雜纖維故名思議就是兩種短纖維或兩種長絲混雜，或者是纖維和樹脂進行復(fù)介。混雜纖維因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此可以滿足不同種類的生產(chǎn)需要。

2.3織物結(jié)構(gòu)

織物結(jié)構(gòu)也是一種常見的材料。纖維材料經(jīng)常會出現(xiàn)纏繞的現(xiàn)象，但是織物結(jié)構(gòu)就不會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，這是因為其本身特殊的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。因此，織物結(jié)構(gòu)可以運用于不同的生產(chǎn)領(lǐng)域中，可以生產(chǎn)出大小不一、種類不同等產(chǎn)品，更好的滿足市場需求。此外，由織物結(jié)構(gòu)制作產(chǎn)品的過程十分簡便，給工人減輕了工作量。

2.4基體樹脂

基體樹脂的種類重要有三種，分別是環(huán)氧樹脂、熱塑性樹脂以及小飽和樹脂。在這三類中用途最廣的就是小飽和樹脂，小飽和樹脂具有透明、韌性好等優(yōu)點，但是其缺點就是不耐光。此外，小飽和樹脂穩(wěn)定性比較強，具有耐腐蝕性和耐酸性，但是固化以后不耐熱，容易燃燒。相對比于其他材料，小飽和樹脂物美價廉，取材容易，因為它的應(yīng)用十分廣泛。環(huán)氧樹脂具有粘性好的優(yōu)點，但是固化以后韌性低、硬度低，導(dǎo)致容易出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象，需要人們采用相應(yīng)的措施進行處理，加入相應(yīng)的材料，提高產(chǎn)品的韌性。熱塑性樹脂主要應(yīng)用于體育器材行業(yè)，例如尼龍、聚碳酸等。

3 碳纖維復(fù)材用于幼兒園體育器材方面的發(fā)展前景

3.1質(zhì)量輕

未來碳纖維材料的應(yīng)用于幼兒園體育器材，將會使體育器材的質(zhì)量更加輕便。現(xiàn)階段，人們比較喜愛的體育運動有滑雪、賽車、網(wǎng)球、高爾夫及劃船等，這些體育運動離不開體育器材的使用。對于人們來說，體育器材的質(zhì)量越輕越好，這樣更有利于人們發(fā)揮出更好的成績。因此，人們希望有更輕便的材料制作體育器材。碳纖維材料質(zhì)量輕，密度低，比其他材料輕很多。所以碳纖維材料應(yīng)用于體育器材十分具有前景。

3.2熱膨脹系數(shù)小

相比較于金屬材料，碳纖維的熱膨脹系數(shù)小。當(dāng)溫度達到200℃以上的高溫時，碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)為0，在室溫情況時，其熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，當(dāng)溫度降到-1000℃時，膨脹系數(shù)為1.5×10曲K。由此可以看出，碳纖維材料在常溫下不會出現(xiàn)變形的情況，及時在條件惡劣的溫度環(huán)境中，也能保持非常穩(wěn)定。因此，將碳纖維材料應(yīng)用于體育器材中，可以讓體育器材更加穩(wěn)定。

3.3高比強度和高比模量

根據(jù)研究顯示，單位質(zhì)量內(nèi)碳纖維的強度是杉木的4倍，是梧桐木的3.4倍，是剛才的8倍多;而單位質(zhì)量內(nèi)碳纖維的模量是杉木的3倍，是梧桐木4.4倍，是鋼材的4倍。因此，碳纖維材料具有絕對的優(yōu)勢。如果將碳纖維材料應(yīng)用于體育器材，可以讓體育器材硬度更加高。所以碳纖維材料在體育器材的應(yīng)用具有非常好的發(fā)展前景。

3.4疲勞強度大

相比較于其他材料，碳纖維具有十分穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。曾經(jīng)做過一項實驗，將由碳纖維材料制成產(chǎn)品和由鋼材制成的產(chǎn)品分別進行抗疲勞實驗，然后進行結(jié)構(gòu)對比，發(fā)現(xiàn)由碳纖維材料制成的產(chǎn)品具有更強的抗疲勞強度，強度保留的高。這就意味著，如果體育器材的制作使用碳纖維材料，可以延長體育器材的使用壽命。

3.5破損安全性能好

相比較于其他材料，碳纖維材料具有更穩(wěn)定的安全性能。因為碳纖維結(jié)構(gòu)具有特殊的基體，該基體可以讓纖維具有更強的拉力。此外，如果其中一處出現(xiàn)鍛煉，其余部分的纖維還能夠保掙性能，也就是說個別纖維出現(xiàn)問題就不會造成整體纖維的破壞，因此碳纖維材料具有十分安全的性能。體育器材的制作如果采用碳纖維材料，就會更具有安全性，不容易出現(xiàn)安全事故。

3.6設(shè)計自由度大

隨著我國復(fù)合型材料的發(fā)展，讓產(chǎn)品設(shè)計自由度顯著提高。纖維復(fù)合材料具有十分明顯的特點，那就是各向異性。把纖維的方向改變，例如加強或者減弱某一個受力情況，就可以達到自由設(shè)計的效果。對于運動員來說，每個運動員的體能、身高、性別還有技藝各不相同，因此設(shè)計不同種類的體育器材是十分重要的。一個合適的體育器材不僅可以讓運動員更加舒適，而且還可以最大可能的提高運動員的成績。但是普通金屬材料卻達不到這樣的要求。因此，碳纖維材料運用于體育器材，有利于體育器材行業(yè)的快速發(fā)展。

3.7阻尼性能好

相比較于其他材料，碳纖維材料具有非常好的粘性，并且阻尼性能比較好。碳纖維因為其特殊的結(jié)構(gòu)，在斷裂的地方還有摩擦力。因此，由碳纖維材料制作成的產(chǎn)品在使用的過程中，會有一部分摩擦力轉(zhuǎn)換成熱能。所以碳纖維材料的阻尼性能好，比其他材料更適合用于體育器材的制作。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著人們對體育運動重視程度的逐漸加深，人們開始關(guān)注體育器材的質(zhì)量。相比較于傳統(tǒng)材料，碳纖維材料具有非常好的優(yōu)點，例如密度低、硬度大、韌性好、耐高溫等特點。將碳纖維材料應(yīng)用于體育器材的制作中具有非常好的發(fā)展前景。對于幼兒園來說，開展體育運動也是十分有必要的，而好的體育器材不僅可以幫助幼兒增強體質(zhì)，而且讓幼兒使用的更加舒適、提高教學(xué)效果和質(zhì)量。而如何更好的在體育器材中應(yīng)用碳纖維材料，還需要更多的研究。