在體育器材中性能優(yōu)異碳材料的應(yīng)用分析

徐翠萍

摘要：碳材料是自然界中常見(jiàn)的元素之一，其材料特性幾乎能夠達(dá)到目前所有應(yīng)用材料所具有的各種性質(zhì)。由于其材料種類(lèi)和結(jié)構(gòu)之間存在較大的不同，對(duì)實(shí)際應(yīng)用范圍也具有較大的影響。在體育器材中應(yīng)用性能優(yōu)異的碳材料，已經(jīng)成為碳材料深入應(yīng)用的八大行業(yè)之一，深入分析現(xiàn)階段碳材料在體育器材中的應(yīng)用情況，能夠推進(jìn)其行業(yè)應(yīng)用程度不斷加深，從而對(duì)體育事業(yè)的發(fā)展起到應(yīng)有的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：碳材料;體育器材;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0075-03

體育競(jìng)技水平的高速發(fā)展和相關(guān)器材研究水平的不斷提高，使得新型材料的應(yīng)用范圍愈加廣泛，這一方面促進(jìn)了體育器材在應(yīng)用過(guò)程中的舒適程度，另一方面也能夠科學(xué)的延長(zhǎng)其自身的使用壽命。碳材料由于其自身所具有的各方面特性，得以在多種體育器材的生產(chǎn)研發(fā)中，運(yùn)用到不同的環(huán)節(jié)中，從而具有較好的應(yīng)用能力。

1 不同類(lèi)型碳材料的性能和用途

碳材料是對(duì)含有碳元素并為主體的材料，其是一個(gè)統(tǒng)稱(chēng)的概念，在實(shí)際應(yīng)用中，由于其電子軌道分布的不同，可以對(duì)其進(jìn)行不同方面的界定，由于碳材料本身的性能跨度較大，只有部分性能優(yōu)異的材料在實(shí)際應(yīng)用中才會(huì)被引入到不同的體育器材設(shè)計(jì)中。通常情況下，這些常用的材料的應(yīng)用范圍包括以下5個(gè)方面

1.1碳纖維材料

碳纖維材料具有高比例的剛性強(qiáng)度和彈性漠量，通常是與其他材料配合在一起，用作不同材料的添加劑。

1.2活性碳纖維和玻璃碳

兩種材料都具有比表面積大、吸附性能好的特點(diǎn)，其次根據(jù)不同的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，還能使其產(chǎn)生較強(qiáng)的不浸透性，具有高度的耐熱和耐腐蝕性能。通常情形下，這類(lèi)材料是應(yīng)用于環(huán)保吸附材料和電池電極的隔板，以及半導(dǎo)體元件的生產(chǎn)中。

1.3金剛石薄膜

金剛石薄膜同樣具有較高的硬度和彈性模量，并且其具有高度的透光、發(fā)光性能和光交換性能;此外，較之于其他同類(lèi)材料，其還具有耐磨的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于高溫晶體管和激光器件等物品的生產(chǎn)過(guò)程中，同時(shí)也會(huì)應(yīng)用于絕緣材料的生產(chǎn)中。

1.4石墨層間化合物

這類(lèi)碳材料具有輕質(zhì)和高導(dǎo)電特點(diǎn)，具有良好的電化學(xué)性和反應(yīng)性，所以在大部分情況下被應(yīng)用于與電有關(guān)的材料生產(chǎn)過(guò)程中。

1.5氣相生長(zhǎng)碳纖維

這類(lèi)碳材料的性能主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)上，具有中空和結(jié)晶性能好的特點(diǎn)，并且其狀態(tài)可以加工成極細(xì)的狀態(tài)，因而主要應(yīng)用于增強(qiáng)和催化材料中。

2 碳材料在體育器材中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

在早期的體育器材生產(chǎn)過(guò)程中，多數(shù)使用的是傳統(tǒng)的金屬材料和木質(zhì)材料等，這些材料的應(yīng)用為推動(dòng)體育事業(yè)的發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn)，但是隨著各種新型材料的不斷涌現(xiàn)和競(jìng)技水平的不斷提高，普通的體育愛(ài)好者也對(duì)體育器材的材料應(yīng)用提出了更高的要求，以便不斷提升自身的體育鍛煉水平。

2.1碳材料同時(shí)材質(zhì)輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)

相對(duì)于大部分的金屬材料和木質(zhì)材料而言，具有復(fù)合性能的碳纖維材料在具同等性能的情況下，密度較之于金屬材料要小數(shù)倍之多，同時(shí)其彈性摸量依然能夠達(dá)到或超出木質(zhì)材料的水平。同時(shí)將這兩方特性聚集與一身的碳纖維材料得以廣泛應(yīng)用于自行車(chē)、帆船、撐桿和高爾夫運(yùn)動(dòng)等各種體育活動(dòng)的器材生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，為滿(mǎn)足其不同部位的用力需要而提供了更佳的支持。

2.2碳材料能夠極大擴(kuò)展體育器材設(shè)計(jì)的自由度

隨著體育事業(yè)的不斷發(fā)展，大多數(shù)具有競(jìng)技性質(zhì)的體育項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始朝著精英化的方向發(fā)展，以此帶來(lái)不同類(lèi)型的體育項(xiàng)目逐漸走向大眾化的推廣過(guò)程。在高度發(fā)展的攝影技術(shù)和計(jì)算機(jī)分析技術(shù)的支撐下，部分體育器材的設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了需要針對(duì)個(gè)人的競(jìng)技需要進(jìn)行研發(fā)的程度，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)采集各方面的數(shù)據(jù)材料，在進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，可以針對(duì)體育運(yùn)動(dòng)員生理和心理發(fā)育的特征專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)出符合其自身需要的體育器材，以便其能夠在體育競(jìng)技活動(dòng)中更好的利用器材，取得更加優(yōu)異的成績(jī)。對(duì)于大眾型的體育活動(dòng)中應(yīng)用的體育器材而言，其也能夠通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，采用更加科學(xué)合理的方案，確保體育器材在使用過(guò)程中更加符合人體工程學(xué)的需要，減少體育活動(dòng)開(kāi)展過(guò)程中存在的隱患，從這方面而言，不斷深化碳材料在體育器材中的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3碳材料體育器材具有較強(qiáng)的安全性能

大多數(shù)的體育競(jìng)技和體育鍛煉活動(dòng)的開(kāi)展過(guò)程中，都存在體育器材在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形或者損壞等情況，這不僅會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員正常體育活動(dòng)的開(kāi)展造成一定的影響，在某些情況下還會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的^身安全造成一定的危害，在這種情況下，如何通過(guò)材料應(yīng)用的改變來(lái)提升體育器材的安全性能，就顯得十分重要。由于碳纖維復(fù)合材料中的纖維具有高度的拉伸適應(yīng)性，在體育器材的制造過(guò)程中添加適當(dāng)比例的材料能夠使體育器材在發(fā)揮損壞時(shí)，將其損壞部位控制在一定范圍之內(nèi)，從而給運(yùn)動(dòng)員流出足夠的應(yīng)急緩沖時(shí)間，從而提高其在體育活動(dòng)開(kāi)展過(guò)程中的安全性。

2.4碳材料體育器材具有較長(zhǎng)的使用壽命

傳統(tǒng)的體育器材在使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的疲勞度，不僅會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技成績(jī)，對(duì)于普通體育愛(ài)好者而言，也是較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。在有關(guān)學(xué)者的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，目前影響大學(xué)生開(kāi)展體育鍛煉活動(dòng)的因素中，體育器材選購(gòu)方面的經(jīng)濟(jì)原因，在其綜合影響因素中占有較高的比例。而在碳材料技術(shù)的應(yīng)用中，其強(qiáng)度保留率相對(duì)于傳統(tǒng)材料而言，能夠提升一倍至二倍之間，從而大大提高了其使用壽命，從而推動(dòng)了體育鍛煉活動(dòng)的開(kāi)展范圍。

2.5碳材料體育器材的尺寸穩(wěn)定性比較強(qiáng)

材料的尺寸穩(wěn)定性指的特定材料在受到機(jī)械力、熱或者其他外界材料作用時(shí)，其外形尺寸不發(fā)生變化的性能。由于各種體育活動(dòng)開(kāi)展的外界條件之間存在較大的差異性，其對(duì)尺寸穩(wěn)定性的要求也有所不同，而不同的碳材料本身具有各自不同的特性，針對(duì)特定的體育項(xiàng)目，引入不同性能的碳材料，能夠極大的提升體育器材的尺寸穩(wěn)定性，從而幫助運(yùn)動(dòng)員提升自身成績(jī)。

3 碳材料在體育器材應(yīng)用過(guò)程中成型方式

不同的體育器材生產(chǎn)工藝之間存在極大的差別，其對(duì)碳材料應(yīng)用的生產(chǎn)工藝也有不同的要求，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)其制造工藝和應(yīng)用范圍的不同，通常采用以下4種成型方式。

1）拉擠成型技術(shù)

這種制造工藝的特點(diǎn)是適應(yīng)與長(zhǎng)尺寸體育器材的生產(chǎn)，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行批量生產(chǎn)，一般情況下，其通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)碳材料的控制，因而獲得所需要的力學(xué)性能，但是就整體而言，這種方式的生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，大多是應(yīng)用于魚(yú)竿、弓箭和撐桿等體育器材的生產(chǎn)中。

2）纏繞成型技術(shù)

纏繞成型技術(shù)從字面上理解，就是將碳纖維材料通過(guò)纏繞的方式固定在模具上，進(jìn)而固化成為能夠應(yīng)用的產(chǎn)品。纏繞成型技術(shù)具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)就是能夠科學(xué)設(shè)定纏繞成型方式，從而使纖維的性能得以最大程度的發(fā)揮，并且其制造方法比較簡(jiǎn)潔，缺點(diǎn)則是應(yīng)用范圍比較狹窄，大多是應(yīng)用于體育器材的某一組成部分的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

3）模壓成型技術(shù)

這種技術(shù)的應(yīng)用是將碳纖維材料與其他主要材料按照設(shè)定的比例混合放入金屬模腔中，通過(guò)對(duì)應(yīng)的溫度和壓力設(shè)定使其產(chǎn)生固化成型作用，進(jìn)而達(dá)到生產(chǎn)目的。模壓成型技術(shù)的應(yīng)用范圍比較廣泛，生產(chǎn)效率能夠得到極大的提高，并且其成型精度比較好，一般應(yīng)用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的體育器材制品中。

4）RTM成型技術(shù)

RTM是樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，這是來(lái)自于航空航天材料制造的技術(shù)之一，近些年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的體育器材的生產(chǎn)之中。相對(duì)而言，RTM成型技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于設(shè)計(jì)水平的要求比較高，但是其成型的靈活度比較高，產(chǎn)品具有較強(qiáng)的綜合性能，一般在游艇和水上競(jìng)技項(xiàng)目中具有較為廣泛的應(yīng)用范圍。

4 碳材料在體育器材應(yīng)用中的實(shí)例

4.1在賽車(chē)車(chē)身方面的應(yīng)用

提起賽車(chē)車(chē)身的材料，其主要考慮的方向就是碳纖維材料，將碳材料與鈦合金、鎂鋁合金綜合應(yīng)用在一起，不僅能夠減輕賽車(chē)本身的重量，還能夠在發(fā)生碰撞的情況下吸附更多的能量，從而有效的對(duì)車(chē)手的人身安全起到相應(yīng)的保護(hù)作用。但是就目前而言，碳材料在賽車(chē)車(chē)身制造過(guò)程中，還無(wú)法完全替代其他材料的應(yīng)用，其應(yīng)用性質(zhì)更多的是為了通過(guò)試驗(yàn)來(lái)深入分析碳材料的性能，從而達(dá)到更加廣泛的應(yīng)用目的。

4.2在自行車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前在一些較為普通的自行車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中，已經(jīng)開(kāi)始不同程度的引入了碳材料，其在車(chē)體構(gòu)架、前叉和車(chē)輪等不同位置上采用碳纖維復(fù)合材料，能夠在一定程度上降低車(chē)體重量，增加運(yùn)動(dòng)員在騎乘過(guò)程中的舒適性。可以說(shuō)這一應(yīng)用極大的拓展了碳材料在大眾體育項(xiàng)目中的應(yīng)用范圍，為大眾體育的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

4.3在球類(lèi)運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

碳纖維材料在球類(lèi)運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用范圍是極其廣泛的，除了我們平時(shí)所熟知的高爾夫球棒和網(wǎng)球拍等產(chǎn)品之外，其在足球和籃球的制造中，在一些球類(lèi)的框架和球門(mén)制造中，也具有廣泛的應(yīng)用范圍。碳材料在球拍等產(chǎn)品的應(yīng)用上，主要具有舒適性好、減震性能好、阻尼性好和變形比例低等各方面的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠提高運(yùn)動(dòng)員自身的競(jìng)技成績(jī)而且使其運(yùn)動(dòng)過(guò)程能夠散發(fā)出更多的體育魅力。而碳材料在球架和球門(mén)中的應(yīng)用，一般是不為常人所了解的，采用碳復(fù)合材料制成的這類(lèi)產(chǎn)品，能夠極大的保持框體自身的性能，確保其在運(yùn)動(dòng)員強(qiáng)烈的沖擊下依然能夠保持較高的應(yīng)廚性能，不僅保證了比賽的公平公正，還能夠確保比賽的整體流暢性，為觀眾提供更加美好的比賽享受。

5 結(jié)語(yǔ)

碳材料的研發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)有了多年的歷史，并且在多種行業(yè)中得以廣泛應(yīng)用，就目前的發(fā)展水平而言，其在體育器材的應(yīng)用中，大多還是集中在高端的體育競(jìng)賽活動(dòng)中，隨著未來(lái)研發(fā)水平的提高和制造成本的不斷下降，其應(yīng)用的范圍必將不斷擴(kuò)展，從而為大眾體育的推廣做出更大的貢獻(xiàn)，這就要求相關(guān)技術(shù)人員不斷深入研究，將更多性能優(yōu)異的碳材料不斷應(yīng)用于體育器材的制造中。