纖維增強樹脂復合材料在運動器材中的應用

（陜西學前師范學院體育系,陜西 西安710100）

玻璃纖維(GF)或者碳纖維(CF)增強復合材料是一種增強型結構材料，它主要由陶瓷、金屬、樹脂、纖維等基體經由復合而成[1]。它的比模量、比強度都比較高，綜合性能指標非常出色。它被廣泛地運用在汽車、航天、航空和其它工業領域中，逐漸地變成為運動器材中的最佳材料[2]。運動器材對疲勞特性、剛度、密度等方面的要求非常嚴格。和傳統材料相比較，此類復合材料性能的優勢非常明顯，它已成為當代體育器材中不可或缺的一種新材料[3]。

塑料及其復合材料的優點很多，如價格低、密度小、具有較好的比模量與比強度、易于成型等，所以被普遍地用在各種運動器械與體育設施中[4]。隨著這些材料的性能越來越突出，它們慢慢地取代了木材與金屬，被廣泛運用于運動器材中，如被用在跳水、帆船、摩托等很多運動器械中[5]。運動器械要具備穩定良好的質量與性能，可以充分地削減運動員受傷的概率[6]。過去溜冰鞋均采取金屬材質的輪子，如今已經替換成了硬質聚氨酯制成的輪子，耐磨損、耐摩擦的性能更高。采取陶瓷纖維、碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維增強型的復合樹脂材料制成了輕巧、耐用、結實的網球拍骨架。曲棍球、劃槳、高爾夫球、吊傘索、滑雪棒等，都采取了層壓纖維制成的增強型復合樹脂材料制備[7]，此類運動器材的質量比較小，然而卻能夠承受強度很大的外力，綜合性能非常突出。采取適當形式與結構的復合材料造出的帆板，能夠滿足此類運動對器材很高的綜合性能要求。它能夠把超高分子量定向聚乙烯(UHMWPE)纖維層或者纖維織物聚壓到聚酯薄膜上。所以盡管帆的質量很小，然而卻具有很高的強度，不易于出現蠕變。在運動區與體育設施領域中，樹脂與相關復合材料的市場已經非常可觀，而且其銷售額與市占率都在持續攀升。

1 適用塑料品種及特性

幾乎任何熱塑性塑料均可用于運動器械與體育設施中，比如聚碳酸酯(PC)與聚酰胺(PA)等，熱塑性塑料中的合金也不例外。表1中列舉了運動器械與體育設施用復合材料的幾種相關樹脂性能。

表1 體育設施和運動器械用復合材料的樹脂性能Table 1 Resin properties in composite materials for sports facilities and sports equipment

1.1 不飽和聚酯

不飽和聚酯被固化后，呈現為固體，不透明或者透明，具有良好的韌性，不具備優良的耐光性，容易著色[8-9]。即便被浸入到鹽或者酸溶液中，不飽和聚酯依舊具有穩定的性質，燃燒性一般，缺乏較強的耐熱性，具備較高的力學性能、良好的電氣性能與耐腐蝕性，能夠和絕大多數增強劑進行復合。而且，它的成本也比較低。用不飽和聚酯與玻璃纖維，能夠以手糊成型等方式，完成制作皮劃艇艇身的工作；采用一定量的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維、不飽和聚酯與玻璃纖維，采取層壓或者手糊的手段，可制成所需要的沖浪板，質量輕盈，耐磨損、結實耐用。采用玻璃纖維GF增強不飽和聚酯，采取纏繞或者擠壓的手段成型，能夠制成高質量的高爾夫球棒；而且，在電碰車、速滑車、滑梯或者成型體育場的各種座椅中，都可以運用不飽和聚酯或者玻璃纖維增強復合材料。

1.2 環氧樹脂

環氧樹脂(EP)固化物的耐腐蝕性、介電性、力學性能、黏結性都非常優異，收縮率比較低，尺寸穩定性也比較突出[10]。因為環氧樹脂以及用于環氧樹脂的固化劑有很多品種，可以通過多種配方組合成相應的固化體系，在此基礎上可以生產出性能各不相同的固化物。采取玻璃纖維或碳纖維增強環氧樹脂復合材料，能夠制成韌性好、彈性突出的撐桿；碳纖維或者環氧樹脂復合材料，通常情況下被加工成滑雪棒，耐用性好，結實可靠，十分輕巧；玻璃纖維或者環氧樹脂復合材料，環氧樹脂/碳纖維復合材料還能夠采取擠壓或者纏繞成型的手段，加工出強度大、韌性突出的弓箭。

1.3 聚鄰苯二甲酸二烯丙酯

聚鄰苯二甲酸二烯丙酯(DPAP)的力學性能非常突出，和碳纖維、玻璃纖維等纖維一樣，黏結強度都非常高，具有良好的耐熱性，收縮率也比較低。

2 纖維增強樹脂復合材料在運動 器材上的應用

近年來，國內越來越多地把纖維增強樹脂復合材料運用于體育器械與運動器材中，比如羽毛球拍、釣魚竿、自行車、滑雪板、沖浪板、網球拍、高爾夫球桿等多種設備中。

2.1 撐桿

撐竿跳高是被奧運會最早列入正式比賽的項目之一，最初運用的撐桿由山胡桃木制作而成。雖然很結實耐用，然而它不夠輕便，儲能比較差，不具備良好的彈性，運動員會浪費不少動能，因此撐桿跳比賽無法獲得理想的成績。后來該項目采取竹竿制成的撐竿，因為竹子質量較輕、中空，對助跑非常有利，韌性與彈性都很不錯。運動員使用這些撐桿后，他們的比賽成績顯著提升。上世紀六十年代，人們不再采取竹竿制作的撐桿，而是開始用聚酰胺來制作撐桿，后來玻璃纖維撐桿又代替了聚酰胺撐竿。隨著人們持續更新制作撐竿的相關材料，運動員們屢次刷新世界紀錄。眼下人類已經造出了第四代撐竿，玻璃纖維與聚酰胺不再使用，纖維增強樹脂復合材料具有更優異的性能，它能夠按照撐竿受到的不同外力，采取與運動需求相符合的材質，制作運動撐桿的相關部位，獲得整體性能更突出的撐桿設備。此類撐竿耐用、非常輕盈、柔韌性非常優異，基本上不會發生扭結或者斷裂等問題，它能夠將動能轉化成相應的彈性形變能，在撐竿被壓彎到弧度最大后，能夠迅速釋放這些彈性形變能，變成勢能協助跳高運動員騰空而起，從橫桿上飛躍過去，以獲得更理想的比賽成績。

2.2 羽毛球拍及網球拍

二十世紀七十年代，東麗公司與河崎球拍廠合作設計了碳纖維復合增強材料(CFRP)羽毛球拍桿。它們當時銷售的是B-80型羽毛球拍的木質拍框，拍桿采取了碳纖維復合增強材料，B-82型球拍屬于鋁質拍框，拍桿采取了碳纖維復合增強材料。隨著新型材料持續更新、迭代，需要質量越來越高、性能更佳的運動器材，球拍骨架材料均已采取碳纖維增強環氧樹脂或玻璃纖維增強環氧樹脂來制造和加工，如今市場中銷售的各種高檔羽毛球拍中，它們的拍桿與拍框均采取碳纖維復合增強材料制作而成，比如B-86型羽毛球拍。如今羽毛球拍朝著CF復合增強材料拍桿、拍框的方向發展，循序漸進地取代了鋁合金鋼桿與拍框，讓球拍總重量不超過一百克。在打球過程中，羽毛球拍存在著復雜的受力情況。因此，球拍桿的彎曲強度要大、縱向彎曲剛性要強，必須具備出色的強度與扭曲剛性。

網球拍是一種常用的運動器材，如今市場中銷售的高中端網球拍，均采取纖維復合增強材料精制而成。它的優點非常突出，比如具有較強的可塑性與延展性，減振性能非常突出，設計種類也將越來越多元化。美國一家企業最早在網球拍中運用纖維增強樹脂復合材料，之后其它企業紛紛效仿。第一，可以利用此類材料，加工成大型網球拍，其使用性能和傳統的木制網球拍相比，得到了長足進步和發展。雖然重量相同，然而它們的延展性卻存在著很大區別，由這些復合材料加工的網球拍面積，比木質網球拍面積多出了50%。而且，它也在較大程度上提升了自身的網線張力。此類復合材料具有較高的比模量、比強度，質量很輕，因此即便是大型網球拍采用此類復合材料，也可以確保球拍較輕的重量，在拍打過程中不易于發生變形。第二，此類復合材料的減振吸能性非常突出。在開展網球運動的過程中，球與球拍之間的相互作用，可以促進振動。此類復合材料制作的網球拍，減振效果良好，降低它的振動幅度，乃至于不振動，讓運動員的手受到的振動非常之小，運動過程更為舒適。碳纖維在加入了納米二氧化硅粒子的環氧樹脂中接受預浸漬，把它制為單向碳纖維增強片材，借助所得片材，加工成所需要的網球拍框。此類制備方法在一定程度上改善了材料結構，促進了均勻一體化，獲得更大強度的材料，球拍的耐用性更好，也更為可靠、結實。

2.3 滑雪板

近年來日益增多的人們開始喜歡上了滑雪運動，其中滑雪板是關至關重要的運動器材。它會影響到人們的滑雪效果和人身安全。因此為了破解此類問題，要繼續改進和開發更高水平的滑雪板材，提升其質量，從而獲得更輕的滑雪板，具備更好的可控性能、減振性能，延長它的使用壽命。因此，復合材料是最理想的選擇。采用玻璃纖維增強樹脂復合材料造出的滑雪板綜合性能非常優異。它比傳統的金屬材質與木質滑雪板，具備更理想的使用性能。就木質滑雪板和金屬滑雪板而言，前者容易被毀壞、發生形變，后者的適應性非常不理想。但是玻璃纖維增強復合材料滑雪板的韌性非常卓越，而且在很大程度上延伸了它的使用壽命。

滑雪板選用的材料與結構錯綜復雜。長時間以來，使用與開發者對板材的輕量化、提升減振性能、延長耐疲勞壽命、改善回轉特性非常關注。如今，人們已經逐步淘汰了木制滑雪板，開始采用新型的復合材料滑雪板，其主體結構由高強鋁合金、玻璃鋼、塑料、鋼刃與PUR泡沫等精制而成，使用性能非常出色。相關研究成果表明，其板體下層材質的主要成分涵蓋了聚乙烯(PE)與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，碳纖維或者環氧樹脂復合材料被用作它的結構層材質，而且還填充了聚氨酯泡沫塑料，制造出的滑雪板可以說是性能出色、款式多樣。采取碳化硅纖維（SCB）增強樹脂復合材料生產出的滑雪板，它的最顯著特征是具備非常出色的扭曲和彎曲平衡性，滑行性與回轉性之間達到了很高的匹配度，具有極好的滑雪穩定性與減振性能。日本一家企業已經在銷售此類產品。而且，人們也可以利用硼纖維增強樹脂復合材料，生產出使用性能良好的滑雪板。

2.4 帆船及帆板

船體結構對材料的強度和剛度都有著較高要求，主要使用纖維增強熱固性塑料，比如玻璃纖維增強熱固性樹脂，它的比強度大致達到了鋼鐵材料的兩倍到三倍，而且它也擁有塑料的耐腐蝕、介電性等多種性能。在復合材料中加入了高性能纖維和相應的織物后，其比模量與比強度達到了更高水平。一般情況下，人們把酚醛樹脂、環氧樹脂、乙烯基酯、不飽和聚酯等基體樹脂加入到帆板與帆船中，能夠有效地契合船帆與船體對這些材料的性能要求。帆板重點涵蓋了兩部分，帆桅與帆體。帆板采用了兩類塑料，分別是熱固性塑料與熱塑性材料，熱塑性塑料重點涵蓋了聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯酸酯共聚物(ASA)/ABS和苯乙烯/丙烯腈和相應的合金，聚丙烯(PP)、聚乙烯；熱固性塑料涵蓋了聚氨酯、環氧樹脂與不飽和聚酯。增強纖維涵蓋了芳綸纖維、石墨纖維、玻璃纖維、碳纖維等。帆板相關組成部件都可以采取很多成型方法，比如熱成型、旋轉模塑、吹塑模塑、注射模塑，再就是經常采取的熱固性樹脂成型方式。

2.5 壘球棒

壘球棒最早是由木材制成，而隨著材料科學的進步，纖維增強樹脂復合材料因其質輕、強度高，被用于開發制作壘球棒，可以選用硬質PUR泡沫塑料和玻璃纖維增強塑料(GFRP)、CF增強硬質PUR和CFRP、或者是全部采用CFRP來制作球棒，使用壽命長且耐磨損。

3 結語

當前國內外在發展纖維增強樹脂復合材料方面，具有非常可觀的市場潛力和樂觀的應用前景。如今它已經在運動器材市場中占據了大部分市場份額。隨著社會不斷向前發展，人們需要越來越需要各類運動器材，對此類復合材料提出了更高要求。纖維增強樹脂復合材料在與時俱進地向前發展，發展前景必將更加廣闊。