基于CFRP材料在體育器材上的應(yīng)用與設(shè)計

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）主要是由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合而成的一類增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易加工成型、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、體育器材等領(lǐng)域中[1-3]。隨著體育運(yùn)動的發(fā)展，對器材的要求越來越高，以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主的體育器材將成為體育用品產(chǎn)業(yè)發(fā)展主流[4]，利用CFRP材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩托競技、跳水運(yùn)動等金屬和木材運(yùn)動器材，在提高運(yùn)動器械性能的同時，最大限度地降低了運(yùn)動帶給人員的傷害[5]。如利用硬質(zhì)聚氨酯代替溜冰金屬輪子，使器械具備了更高的耐磨性能[6]；利用陶瓷纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的網(wǎng)球拍骨架，降低了球拍的整體重量同時具備了更高的強(qiáng)度[7]；采用層壓纖維復(fù)合材料制造的高爾夫球、吊傘索有效提升了運(yùn)動器械的綜合力學(xué)性能，不易發(fā)生器材損耗[8]。

1 碳纖維復(fù)合材料塑料品種及特性

CFRP作為一類無機(jī)高分子纖維材料，是由經(jīng)過碳化的丙烯纖維和環(huán)氧樹脂按照一定的配比熱固而成的典型復(fù)合材料，具有強(qiáng)度大、密度小的優(yōu)點[9]。通常CFRP的比強(qiáng)度達(dá)到了1274MPa，彈性模量達(dá)到了156800MPa，且不同的樹脂所得到的CFRP材料力學(xué)性能各不相同，用以滿足不同的運(yùn)動器械。VK 目前較多的體育器材上的碳纖維復(fù)合材料的樹脂主要有不飽和聚酯（UP）、環(huán)氧樹酯（EP）、聚鄰苯丙酯（PDAP）等，表1為常見幾種體育器材用碳纖維樹脂的性能參數(shù)。

表1 體育運(yùn)動器械CFRP樹脂性能Table 1 Performance of CFRP resin for sport device.

從表1中可以看出，CFRP材料的強(qiáng)度、韌性、彈性更適合于體育器材，同時復(fù)合材料具備的優(yōu)異阻尼減震性能是代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料的一個重要原因，且復(fù)合材料良好的加工成型性能和設(shè)計性能，能夠根據(jù)運(yùn)動選手自身的特點加以設(shè)計修飾，是傳統(tǒng)金屬材料和木質(zhì)料難以滿足的。

2 碳纖維的產(chǎn)品的成型技術(shù)

CFRP一個重要的優(yōu)勢，是具備優(yōu)良的加工和設(shè)計性能，能滿足不同運(yùn)動選手的實際需求。對于CFRP材料，通常可通過合理設(shè)計來實現(xiàn)一次整體成型，不需要再單獨(dú)進(jìn)行裝配成型和組合成型工藝，避免了材料的浪費(fèi)。隨著加工工藝發(fā)展，目前體育器材成型工藝主要由模壓成型、拉擠成型、樹脂傳遞模塑和纏繞成型等。

2.1 模壓成型工藝

模壓成型時將CFRP復(fù)合材料置于封閉模腔內(nèi)，利用高溫高壓固化成型復(fù)合材料制品。模壓成型模具由陰、陽兩部分構(gòu)成，增強(qiáng)材料主要為短切纖維、連續(xù)纖維織物。對于復(fù)雜的運(yùn)動產(chǎn)品無需進(jìn)行輔助車、銑、刨、磨工序，制品一次成型，具有良好的外觀幾何結(jié)構(gòu)，較高的精度和可重復(fù)性，特別適合用于大批量、高精度的制品中。但模壓成型工藝的模具設(shè)計復(fù)雜，初期投資要求較高，對設(shè)備使用環(huán)境有一定要求。

2.2 拉擠成型

擠拉成型是復(fù)合材料在外力牽引下，經(jīng)過浸膠、擠壓、加熱固化、切割工序制造的幾何形狀自由的線性制品，擠拉成型主要用于碳纖維復(fù)合材料型材的連續(xù)生產(chǎn)中。將浸漬的連續(xù)纖維浸入一定幾何形狀的成型模具，在模腔內(nèi)固化或凝膠，出模，通過機(jī)械拉力引拔出無限長的型材制品。擠拉法制備CFRP型材制品時，沿軸向平行排列的CFRP增強(qiáng)纖維提高了材料的強(qiáng)度，采用編織袋提高材料的橫向強(qiáng)度，纖維氈材料制備各項同性制品。擠拉制品具備高強(qiáng)、輕質(zhì)和優(yōu)異的裝飾特性，被應(yīng)用于魚竿、攻堅、滑雪桿等體育設(shè)施中。

2.3 纏繞成型

纏繞成型工藝是在專業(yè)纏繞機(jī)上，將預(yù)浸料胚有規(guī)律的纏繞在轉(zhuǎn)動芯模上，經(jīng)過固化、去芯片處理得到碳纖維復(fù)合材料制品。纏繞法適用于制造簡單的圓柱體、球體以及某些同芯回轉(zhuǎn)體制品，同時也可制備復(fù)雜的非旋轉(zhuǎn)體部件。將碳纖維材料根據(jù)制品的受力特征有規(guī)律的排布，充分提高纖維強(qiáng)度，得到輕質(zhì)高強(qiáng)制品，能實現(xiàn)連續(xù)化、機(jī)械化生產(chǎn)。采用纏繞成型法需要除去芯模，因而不能制備凹曲表面制品，可制成釣魚竿、高爾夫球桿等。

2.4 樹脂傳遞模塑

樹脂傳遞模塑（RTM）技術(shù)是將纖維或預(yù)成胚植入密封模腔，通過一定的壓力將液態(tài)樹脂植入模腔，浸透纖維，經(jīng)過固化、脫模工藝獲得成型制品。采用RTM技術(shù)能夠制造高精度、低孔隙率、高纖維含量的復(fù)合材料構(gòu)件，不需要膠衣樹脂即可獲得光滑雙表面。RTM成型利用CAD進(jìn)行模具設(shè)計制造，降低了工藝難度，同時制備成型過程氣態(tài)揮發(fā)分少，工藝現(xiàn)場環(huán)境較好，用于部件的局部增強(qiáng)或制備細(xì)節(jié)構(gòu)件，具體包括生產(chǎn)自行車、皮劃艇等承載部件等，圖1為RTM制備自行車的工藝流程圖。

圖1 RTM 制備工藝流程圖Figure 1 RTM process f low diagram

3 CFRP材料體育器材應(yīng)用

當(dāng)前運(yùn)動種類多樣，所采用的體育器材也各不相同，而CFRP材料由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，被用于多個運(yùn)動領(lǐng)域中，下面針對幾種常見運(yùn)動器材進(jìn)行討論，表2所示為纖維材料應(yīng)用的部分實例。

表2 CFRP在體育器材應(yīng)用實例Table 2 Application examples of CFRP in sports equipment

3.1 滑雪板

滑雪板要求器材輕量化、減震性強(qiáng)、耐疲勞壽命高。傳統(tǒng)滑雪板主要為木質(zhì)和金屬材料。木質(zhì)輕且性價比高，但易變形，鋁合金適應(yīng)性差，碳纖維復(fù)合材料能在任何雪質(zhì)中使用，且維護(hù)方便。碳纖維滑雪板(圖 2)以夾芯復(fù)合材料制成，碳纖維置于木芯上部來提高滑雪板屈伸度，夾芯采用PU和PVC料來提高滑雪板彈性，將玻璃纖維置于內(nèi)核上方來連接面板和中核，提高滑雪板韌度（圖2）。

圖2 碳纖維滑雪板截面Fig. 2 Carbon f iber snowboard cross section

3.2 高爾夫球桿

早在1972年，美國Shakespear公司通過纏繞法制得了CFRP高爾夫球桿，取代了傳統(tǒng)木質(zhì)球桿，通過CFRP材料制成的棒頭較傳統(tǒng)柿木棒頭重一倍，有效提高了擊球時候的初始速度，同時CFRP棒頭設(shè)計自由度大，可制造中空棒頭，提高了球在飛行過程中的速度以及球飛行的穩(wěn)定性。目前高檔高爾夫球桿采用密度小、強(qiáng)度高、彈性和耐沖擊性優(yōu)良的CFRP材料，不僅有效提高了高爾夫球桿的使用率，且充分發(fā)揮了運(yùn)動員的擊球力量和技術(shù)。表3中對比不同材料球桿的擊球初始速度和飛行距離可以看出，采用CFRP材料在相同的握手重量和擊球頭重量下，具有更高的擊球速度和飛行距離。

表3 不同球桿材料的擊球速度和飛行距離Table 3 The speed and f light distance of different club materials

3.3 自行車

自行車不僅僅是一種交通工具，同時也是健身、競賽器材。傳統(tǒng)的鋁合金或鉻鉬合金車架車體重量大，騎行輸出力小，而采用碳纖維自行車的車架結(jié)構(gòu)輕，強(qiáng)度和剛度高，被廣泛用于專業(yè)比賽用車，目前通過將碳纖維和熱固性樹脂基復(fù)合材料來制造賽車車架、車輪部件，有效降低車身重量。通過樹脂傳遞模塑工藝進(jìn)行批量化生產(chǎn)。表4為CFRP自行車典型部件的選材。

表4 自行車主要部件使用材料Table 4 Use materials of main parts of the bicycle

3.4 網(wǎng)球拍

網(wǎng)球拍需要保證拍框良好的比強(qiáng)度和比模量，較高的扭轉(zhuǎn)剛性和減振吸能特性。碳纖維復(fù)合料制備的大型網(wǎng)球拍，設(shè)計自由，具備很好的減震吸能性能。相較于傳統(tǒng)的木制網(wǎng)球拍，采用CFRP材料在相同重量下的球拍面積可提高1.5倍左右，網(wǎng)線張力提高20%～45%。因此大型網(wǎng)球拍框架面積大時，就要求采用重量小、比強(qiáng)和比模大的碳纖維材料來保證整體重量和擊球過程中不易發(fā)生變形。碳纖維復(fù)合料具備優(yōu)異的減震阻尼性能、不易起振、起震不易停振的特點，能有效阻尼擊球的振動，提升網(wǎng)線與球的接觸時間，提高擊球初始速度，并給運(yùn)動員更高的舒適感。碳纖維復(fù)合材料優(yōu)良的加工工藝特性，具有了很大的設(shè)計自由度。

3.5 其他運(yùn)動器材

碳纖維撐桿可根據(jù)撐桿受力差異對不同部位進(jìn)行材料設(shè)計，保證撐桿具備高強(qiáng)彈性和儲能能力。最新碳纖維撐桿在保證撐桿柔韌性的同時不會發(fā)生扭結(jié)或斷裂，將運(yùn)動員的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閾螚U彈性變形，當(dāng)撐桿發(fā)生形變，部分儲能釋放轉(zhuǎn)化為運(yùn)動動能，提高了運(yùn)動員的初始動能。

采用碳纖維復(fù)合料的弓臂有效提高了弓和箭的比彈性，最大可承受50kg/mm2彎曲應(yīng)力，提高了箭的最大初速度和射程。碳纖維材料具有更高的耐疲勞特性，因而提高了弓箭的使用壽命。

此外，碳纖維復(fù)合材料還廣泛應(yīng)用于動力雪橇的彈簧板、冰球棒、賽艇、登山用品、人力飛機(jī)中，不僅提高了運(yùn)動員的競技成績，提升了運(yùn)動安全系數(shù)，也為全民運(yùn)動的普及提供了有力保障。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料在體育器材領(lǐng)域中的應(yīng)用，已經(jīng)形成了廣大的消費(fèi)市場，同時隨著體育運(yùn)動對器材各項性能提出更苛刻的要求，碳纖維復(fù)合材料必將成為今后體育用品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。可通過運(yùn)動器材的提升來帶動運(yùn)動員不斷挑戰(zhàn)極限。現(xiàn)代競技體育已經(jīng)不是純粹的更高、更快、更強(qiáng)，而是國家科技發(fā)展和綜合實力的提升，因此，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也是科技創(chuàng)新在體育競技中的集中體現(xiàn)。