碳纖維增強復合材料特性及其在體育器材中的應用

劉 冬 ,謝 佳

(新疆工程學院,新疆烏魯木齊 830000)

碳纖維屬于無機高分子纖維材料，其含碳量高于很多同等類型的其它材料[1-3]。與鋁相比，碳纖維的質量更輕，但強度更大，甚至大于鋼的強度[4]，其產品形式包括四種[5-7]：第一種是纖維；第二種是布料，也就是由碳纖維制成的織品；第三種是預浸料坯，即按照固定的方向，將碳纖維依次排列，并用樹脂浸漬碳纖維或布料，使其轉化為片狀形態；第四種是切短纖維，又稱短絲。在應用中按照相應的配比將這些材料與樹脂融合在一起，也就形成了CFRP。目前大部分體育器材使用的材料為復合材料，而CFRP 在各種復合材料中更是首選[8-9]。當前已有多個案例中出現使用新材料來提高競賽中體育器材的性能，從而提高體育競賽成績的現象[10]。

1 碳纖維增強復合材料作為體育器材的優勢

1.1 質量

從體育器材的運動方式上來說，大體上可以分為兩類：一類是借助人力運動的器材，比如撐竿、網球拍、自行車、皮劃艇等；另一類是借助其它動力運動的器材，比如賽車、帆船等。無論是哪一類器材，當其它條件一致時，器材質量越輕，運動速度將會越快，比賽結果也會相對更好。碳纖維復合材料的密度僅為1.76g/cm3～1.80 g/cm3，所制復合材料密度為1.50g/cm3～1.60 g/cm3，這一數值遠遠低于其它金屬材料，因此CFRP 的質量優勢得以呈現。

1.2 阻尼性能

碳纖維材料的聚合物黏彈性較強，基體和界面上有微裂紋和脫黏的地方還存在摩擦力，這些摩擦力和黏彈性使得部分動能在振動過程中逐漸轉為熱能。因此，與鋼和鋁合金相比，CFRP 的阻尼更大，在特定措施下，還能進一步加大阻尼。

1.3 破損安全性

在基體作用下，當沿著纖維方向對碳纖維復合材料施加拉力時，各纖維的應變基本一致。由于基體傳遞應力，已經斷裂的纖維只有斷口處失去功能性，其它大部分的纖維仍然可以正常使用。也就是說，在個別纖維斷裂后，不會引起后續的連鎖反應，不會導致整體結構的急劇性破壞，因此碳纖維材料具有較強的破損安全性能。

1.4 熱膨脹性

在室溫環境下，碳纖維的熱膨脹系數基本上為負值；在200℃～400℃的環境下，其熱脹系數為0；在1000℃的環境下，其線膨脹系數為1.5×10-6K-1。

1.5 疲勞強度

碳纖維復合材料的結構比其它材料穩定性更強。通過百萬次循環應力疲勞試驗，發現鋼材復合材料的強度保留率只有40%，鋁材只有30%，而碳纖維復合材料的強度保留率高達60%，這也是碳纖維復合材料制成的體育器材擁有更長壽命的重要原因。

1.6 比強度和比模量

碳纖維復合材料的比強度分別是杉木材料的4 倍、梧桐木的3.4 倍、鋼材的7～12 倍；比模量分別是杉木的3 倍、梧桐木的4.4 倍、鋼材的3～5 倍。在高比強度和高比模量特性下，碳纖維復合材料比其它材料更適合用來制造質量輕而強度大的制品，尤其在體育材料的制造中更具優勢。

1.7 設計自由度

復合材料成型技術的應用增加了設計自由度。纖維復合材料具有各向異性，在這一特點下，纖維鋪疊方向和方式的改變可以在局部上增強某一方向的受力狀況，從而使體育器材的作用和應用價值得到充分發揮。這也是CFRP 與其它同類型金屬材料相比的一個獨特優勢。

2 產品形式與成型技術

CFRP 在合理的設計下可以整體成型，從而省掉很多組合型架和裝配型架，節約成本支出。在科學技術的發展下，體育器材的成型方法多種多樣。

纏繞成型：在專門的纏繞機上，將預浸料坯均勻纏繞在轉動芯模上，通過固化、除去新模來獲得最終的制品。這種方法一方面在圓柱體、球體等簡單旋轉體的制造中較為適用，另一方面也適用于非旋轉體部件的制造。其成型特點是根據制品的受力情況，將纖維按照一定規律進行排布，使纖維強度得到充分發揮，最后得到質量輕、強度高的制品；從工藝上來說，纏繞成型技術能夠實現連續化、機械化的生產，且能縮短生產周期，提高生產效率，降低勞動成本。這種方式也有一個缺點，即制品固化后需要把芯模除去，在凹曲表面制品的制造中適用性較低。高爾夫球桿和釣魚竿的制造可以使用這種方式。

拉擠成型：拉擠成型技術主要用于纖維復合材料型材的連續生產。拉擠指的是在外力牽引下，纖維束或帶狀織物經過浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長切割等工藝，制成橫截面具有特定形狀、長度不受限制的線型制品的方式。借助有一定截面形狀的成型模具，拉擠技術將已經經過浸漬的連續纖維在模腔內固化成型，或者在模腔內凝膠、出模加熱固化，在牽引機械拉力作用下，引拔出的型材制品沒有長度限制。這種工藝流程較為簡單，生產效率高；在運用拉擠法制備制品時，增強纖維沿著軸向平行排列，能使其強度得到有效利用；采用纖維氈增強材料能夠制備各項同類型制品；編織帶的使用可以增強制品橫向強度。此外，拉擠制品還具有強度高、質量輕、便于裝飾等優勢，更為其在不同類型體育設施中的應用創造了良好的條件。

RTM 成型：RTM 即樹脂傳遞模塑，在復合材料的成型中較為常用。這種技術是將纖維或預成坯鋪放在密閉模腔內，在壓力作用下將樹脂液注入到模腔，浸透纖維或預成型坯，之后進行固化，脫模成型制品。該項技術在復雜復合材料構件的制造中更為適用，比如高精度、低孔隙率等材料，不需要膠衣樹脂，也可以保持表面的光潔；同時，產品設計周期短，能夠節約時間成本；RTM 模具和產品的設計相對便捷，可以通過CAD 技術完成，且對于材料的選擇沒有局限性；RTM 成型的構件與管件能夠實現局部增強；RTM 成型過程中揮發程度低，能降低對周圍環境的破壞程度。當前主要在自行車和劃艇主體部分的批量生產中使用RTM 技術。

模壓成型：模壓成型工藝是在封閉的模腔內，通過加熱和壓力固化成型復合材料制品的方法。模壓成型的模具包括陰、陽兩部分，增強材料通常為短切纖維氈、連續纖維氈和織物。這種方式的生產效率較高，制作尺寸誤差小，表面光潔，在大批量的制品制造中較為適用，同時適用于精度和重復性要求較高的制品。對于結構復雜的制品，運用模壓成型技術可以一次成型，不需要再進行車、刨等可能會對制品性能造成損害的輔助加工，由此制出的產品外觀和重復性較好。這種技術的缺點是在模具設計和制造中有較高的復雜性，且初期投入成本較高，對設備有一定要求。

3 應用實例

碳纖維復合材料的比強度與構建自重成反比關系；其比模量則與構建剛度成正比關系。結合碳纖維復合材料的優勢，將其應用到體育器材的制造中，能夠使體育項目的成績得到顯著提高。

3.1 撐竿

撐竿跳一直是奧運會比賽的一個重點項目。最初的撐竿是由山胡桃木制作而成，既沉重又缺乏彈性，儲能性質較差，運動員的動能得不到充分利用，在這種材質的撐竿下，撐桿跳高成績最高只有3.3m；隨后，木質撐竿由竹竿替代，竹竿的中空特點使得其質量輕便，有助于運動員助跑，同時竹竿的彈性較大，能較好地轉化運動員的能量；上世紀60 年代，尼龍撐竿開始使用，很快玻璃纖維竿又取代了尼龍撐竿。在撐竿材料的優化更新下，撐竿跳高的世界紀錄不斷被突破。當前第四代撐竿的碳纖維復合材料性能更為優越，不同部位的材質可以根據撐竿受力的差異來設計。最新的碳纖維撐竿既可以保證撐竿的柔韌性，又可以避免撐竿斷裂，可以將運動員助跑的動能向撐竿的彈性變形能轉變，當撐竿所承受的壓力到達一定程度后，這部分彈性變形能得以釋放，再轉為運動員勢能，助力運動員飛躍橫桿。

3.2 自行車

當前全民健身的時代背景下，自行車除了具有交通功能外，還成為了大眾健身、休閑和競賽的一個工具。高檔自行車的車架構、車輪及座位支架等部位都是用碳纖維復合材料制作而成，既增加了自行車外觀的美感，也增加了車體的剛性，并使車體具備良好的減振性能；車體的輕質性能也有效增加了騎車的舒適性。在這些特性下，由碳纖維復合材料制造的自行車被廣泛應用于各大競賽中。此外，在體育用品中，游艇、摩托車零件、人力飛機、棒球球棒等都可以在制造中應用碳纖維復合材料。

3.3 網球拍

網球拍在更新換代過程中體積逐漸加大，而重量卻逐漸減輕。目前世界上的高檔和中檔網球拍的制作材料大部分是碳纖維復合材料。尤其是大型網球拍更需要用重量輕、高比模量和高比強度的材料來制成。與木質網球拍相比，碳纖維復合材料制成的網球拍框能承受更強的網線拉力，在擊球時保持原有形態。同時，由于碳纖維復合材料具有良好的減振阻尼特點，既能夠提高運動員的舒適性，又能夠增加網球的初速度。

3.4 高爾夫球桿

20 世紀30 年代，美國的高爾夫球桿是鋼桿材質；1972 年，美國開始嘗試用碳纖維復合材料制造球桿，此后，碳纖維高爾夫球桿的數量不斷增加；1998 年，碳纖維高爾夫球桿的數量已經遠遠超過鋼桿。從結構上來說，高爾夫球桿可以分為握把、桿身和桿頭三部分，比起原來的鋼桿材質，碳纖維球桿的重量減輕了10%～40%。根據能量守恒定律，在固定的質量下，高爾夫球桿的桿頭重量大、桿身重量小時能夠提高揮桿速度，增加球運動的初速度。此外，碳纖維復合材料還具有高阻尼性質，可以延長擊球時間，使球運動距離更遠。

3.5 弓箭

對于射箭項目而言，優化射箭用具的性能有助于提高射箭成績，而射箭用具性能的改善主要通過提高弓和箭的比彈性來實現。當前碳纖維復合材料制成的弓箭在全球各種材質的弓箭質量中首屈一指，其弓臂能承受的彎曲應力可以達到50kg/mm2，能使箭的初速度達到最大，同時在最大程度上增加射程距離。此外，與玻璃鋼材料和金屬材料相比，碳纖維復合材料具有較強的耐疲勞性，能夠有效延長弓臂的使用壽命。

4 結語

隨著科學技術的不斷發展，其對體育領域產生了重大影響，各國的體育競賽某種程度上已經成了科技的競爭。在諸多體育項目中，人的體能已經被激發到極限，只依靠良好的身體素質和競技技巧已經很難保證比賽的成功，運動員之間也越來越需要高質量體育設備的助力。因此在體育比賽中，比拼的不僅是人體生理極限的突破，還有體育器材的創新和進步，而CFRP 材料憑借其質量輕、阻尼性能好、破損安全性高、熱膨脹性低、疲勞強度大、設計自由度大等優點已在撐桿、自行車、網球拍、高爾夫球桿和弓箭等體育器材領域被廣泛應用，具有廣闊的應用前景和重要的應用價值。