纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用

孫延武

武威第二十三中學(xué)，甘肅 武威 733000

近些年，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料得到快速發(fā)展，目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)形成非常完整的產(chǎn)業(yè)體系，并且在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在全民健身背景之下，越來(lái)越多人走進(jìn)各類運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所放松身心，鍛煉身體，運(yùn)動(dòng)器材的供給成為非常關(guān)鍵的一環(huán)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材，將發(fā)揮出很多獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料概述

1.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展歷史

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，即FRP（Fiber Reinforced Polymer/Plastics）在20 世紀(jì)40 年代問(wèn)世，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域，一直到現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域FRP 的應(yīng)用比例一直在上升，比如客機(jī)波音787、空客350，其使用的FRP 比重已經(jīng)超過(guò)50%。

隨著材料制備成本下降，F(xiàn)RP 逐步應(yīng)用于大眾生活，并且延伸出GFRP、CFRP 等，其中GFRP 主要用于景觀雕塑、座椅、垃圾桶等，CFRP 則主要用于游艇、汽車、自行車、體育休閑器具等。20 世紀(jì)60 年代，F(xiàn)RP 被應(yīng)用于民用建筑，但實(shí)際到20 世紀(jì)90 年代FRP 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的興起，工程界才開(kāi)始逐步認(rèn)可FRP。

1.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基本構(gòu)成

（1）FRP 劃分。FRP 的構(gòu)成包括增強(qiáng)相、基體相和界面相。其增強(qiáng)相為纖維材料，主要包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。基體相則有樹(shù)脂基體、陶瓷基體、金屬基體等。界面相則是FRP 制造成型過(guò)程當(dāng)中所形成的纖維與基體之間所形成的過(guò)渡區(qū)域[1]，在一定程度上可以將FRP 的構(gòu)成劃分為兩個(gè)部分：纖維材料和基體材料。其中纖維材料承擔(dān)主要荷載，基體則將纖維黏在一起并且傳遞纖維間的荷載。

從纖維幾何形態(tài)的角度來(lái)講，F(xiàn)RP 可劃分為單向連續(xù)FRP、編織連續(xù)FRP 和隨機(jī)短切FRP。其中在纖維材料和基體材料基本相同的情況，單向連續(xù)FRP 的層內(nèi)性能更好，一般這類材料主要用在航空航天等高端裝備結(jié)構(gòu)當(dāng)中。該材料一般是將0.05 ～0.30mm 的單層板材按照不同的角度交錯(cuò)疊加而成，形成復(fù)合層板，在具體工程中根據(jù)不同需求厚度最小可達(dá)1.00mm，也可達(dá)到幾十毫米，還可以將不同層合板通過(guò)裝配連接形成典型的復(fù)合結(jié)構(gòu)。從纖維材料的微米級(jí)別一直到工程中應(yīng)用的分米乃至米級(jí)尺度，可知FRP 及其結(jié)構(gòu)存在多尺度性。一般而言可將其劃分為微觀尺度、介觀尺度和宏觀尺度三種空間尺度。微觀尺度可以簡(jiǎn)單理解為基本的纖維、基體和界面，介觀尺度則主要是單層板，宏觀尺度則是單層板堆疊而成的多向?qū)雍习濉?/p>

（2）FRP 典型代表。基于前文劃分，目前市面上常見(jiàn)的FRP 主要有三種，即玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

其中，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，俗稱玻璃鋼，這種材料主要以合成樹(shù)脂為基體，玻璃纖維及其制品作為增強(qiáng)材料。根據(jù)基體材料的不同又可劃分不同玻璃鋼。玻璃纖維可以通過(guò)回收的廢舊玻璃作為原料，經(jīng)高溫融化、拉絲、織布等工藝制造。硬而脆的玻璃經(jīng)過(guò)加工后成為玻璃纖維，具有非常高的強(qiáng)度，高柔韌性、抗腐蝕性好，對(duì)拉應(yīng)力的承載效果好，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高（超過(guò)普通鋼材），絕緣性好，線膨脹系數(shù)低，可耐3800℃瞬時(shí)高溫，疲勞性好，但是只能承載拉應(yīng)力，不能承受壓應(yīng)力、抗剪性差。其在建筑、公共、電子通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具備低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性。其纖維材料是由有機(jī)纖維或低分子烴氣體加熱到1500℃而形成的纖維狀碳，碳含量90%以上。一般碳纖維以拉伸強(qiáng)度作為衡量品質(zhì)的指標(biāo)，例如T300，抗拉強(qiáng)度為3.5GPa，屬于中低端品質(zhì)。為了方便理解可對(duì)比鋼材，例如普通鋼材的抗拉強(qiáng)度僅幾百M(fèi)Pa，高于500MPa 的鋼材就是高強(qiáng)度鋼。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用碳纖維或碳纖維織物作為纖維材料，以樹(shù)脂、陶瓷等作為基體。常見(jiàn)的是碳纖維+熱固性樹(shù)脂，強(qiáng)度好、輕量化，在航空航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與玻璃鋼相似，也用樹(shù)脂作基體材料，具備高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、抗沖擊好、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，其纖維材料為芳香族聚酰胺纖維，具備高強(qiáng)度、高模量、抗磨和低密度的特點(diǎn)，是一種有機(jī)合成材料，可分為對(duì)位芳綸、間位芳綸、雜環(huán)芳綸。

（3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料失效機(jī)理。基于前文對(duì)FRP 空間尺度上的簡(jiǎn)要分析，其失效機(jī)理在不同的空間尺度下存在不同描述。微觀尺度之下，基于不同應(yīng)力狀態(tài)的典型失效機(jī)理包括纖維破壞、纖維—界面—基體脫粘，基體黏塑性變形或者開(kāi)裂，在微觀尺度上，失效主要表現(xiàn)為更小尺度的裂紋萌生和擴(kuò)張，由于尺度更小，很難進(jìn)行物理觀測(cè)。

微觀尺度上產(chǎn)生的失效現(xiàn)象進(jìn)行組合和匯聚形成介觀尺度下的失效，介觀尺度以單層板為基本單元，其失效機(jī)理表現(xiàn)為由纖維主導(dǎo)的縱向拉伸或壓縮失效，由基體主導(dǎo)的橫向拉伸、剪切以及縱向剪切失效，相鄰異向堆疊單層板層間失效。當(dāng)介觀尺度下的失效積累，結(jié)構(gòu)中便會(huì)出現(xiàn)非常明顯的宏觀裂紋，此時(shí)肉眼都能觀察到，當(dāng)荷載持續(xù)增加，裂紋出現(xiàn)非穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)，宏觀尺度下的結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的破壞。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用

加強(qiáng)體育運(yùn)動(dòng)鍛煉顯然具有重要價(jià)值意義，而運(yùn)動(dòng)器材是絕大部分體育運(yùn)動(dòng)不可或缺的要素。運(yùn)動(dòng)器材不僅是某些體育運(yùn)動(dòng)的載體，也是運(yùn)動(dòng)的輔助工具。體育運(yùn)動(dòng)并不能盲目參與，否則將可能對(duì)身體造成損傷[2]。因此當(dāng)代體育運(yùn)動(dòng)必須講究科學(xué)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要講究運(yùn)動(dòng)器材的選擇。運(yùn)動(dòng)器材種類繁多，使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的運(yùn)動(dòng)器材也有很多種，在文中羅列幾種進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料運(yùn)動(dòng)器材的結(jié)構(gòu)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料運(yùn)動(dòng)器材，根據(jù)不同用途，在結(jié)構(gòu)形式上也有很大的差異。比如乒乓球拍、滑雪板、沖浪板等，這些運(yùn)動(dòng)器材主要是板式結(jié)構(gòu)。如網(wǎng)球拍、羽毛球拍、釣魚(yú)竿、高爾夫球桿、冰球棒等器材其主體結(jié)構(gòu)也是用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成，主要呈現(xiàn)為管狀結(jié)構(gòu)。又如各類防護(hù)頭盔，各種賽艇船體結(jié)構(gòu)等則主要是薄片結(jié)構(gòu)。還有一些特殊用途的器材，比如比賽用車輛的車體、武術(shù)運(yùn)動(dòng)用的刀劍類道具、登山用繩索等。

2.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料運(yùn)動(dòng)器材產(chǎn)品

以滑雪運(yùn)動(dòng)的重要裝備——滑雪板為例，滑雪板關(guān)系運(yùn)動(dòng)員滑雪運(yùn)動(dòng)的安全和成績(jī)，傳統(tǒng)的滑雪板通常是由木板制成，雖然成本低廉，但由于木材的特殊性質(zhì)，容易受潮變形甚至失效。還有些滑雪板由鋁合金制造而成，一般價(jià)格都很高，而且對(duì)雪地要求高，適應(yīng)性很差。隨著FRP的發(fā)展，用FRP 制造滑雪板適應(yīng)性非常強(qiáng)，維護(hù)方便，而且性能好。目前市場(chǎng)上質(zhì)量好、性能優(yōu)異的滑雪板產(chǎn)品基本都采用了夾心結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)實(shí)際就是纖維材料+基體材料，可用碳纖維或玻璃纖維+木板、PVC 等。作為基體材料的PVC 或木板可滿足一定彈性要求，纖維材料若是碳纖維可增強(qiáng)滑雪板屈伸度，若是玻璃纖維則可以使夾心結(jié)構(gòu)連接更加緊密，增加其韌性。

又如高爾夫球桿，在20 世紀(jì)70 年代高爾夫球桿就開(kāi)始用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作。傳統(tǒng)的高爾夫球桿用長(zhǎng)絲纏繞法制作球桿，但是與碳纖維復(fù)合材料球桿相比，無(wú)論是對(duì)高爾夫球的適應(yīng)性還是本身的重量、負(fù)荷等方面都有所不如。目前中高端高爾夫球桿基本都是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作而成。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作的球桿具備密度小、高強(qiáng)度、高彈性、耐沖擊等特性，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的發(fā)揮也有非常大的幫助。類似的器材如羽毛球拍、魚(yú)竿等都是如此。如魚(yú)竿，現(xiàn)在市面上無(wú)論是競(jìng)技釣還是野釣，碳素桿都是主流，這種魚(yú)竿就是由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作而成[3]。

再如自行車，國(guó)內(nèi)早期的自行車重量非常大，車架基本都是高碳鋼。20 世紀(jì)七八十年代，滿大街都是鳳凰、永久等品牌自行車，這些自行車在當(dāng)時(shí)如同現(xiàn)在滿大街的奔馳、寶馬，可惜的是進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)的自行車市場(chǎng)便被國(guó)外品牌所逐步蠶食。國(guó)內(nèi)自行車市場(chǎng)實(shí)際上是非常龐大的，無(wú)論是學(xué)生、上班族還是老年人都能用自行車鍛煉身體，方便出行，但是由于材質(zhì)、款式上的落后，直接導(dǎo)致國(guó)內(nèi)自行車火爆短短一段時(shí)間便在與國(guó)外品牌的競(jìng)爭(zhēng)中失敗。材質(zhì)方面，很多高端產(chǎn)品的核心零部件需要進(jìn)口。20 世紀(jì)80 年代，國(guó)外一些國(guó)家便成功研制出碳纖維自行車，車架重量采用碳纖維材料，重量輕，強(qiáng)度、剛度都非常理想，相比高碳鋼車身如同云泥之別。當(dāng)然全FRP 材料制造的自行車一般都是比賽用車，著名自行車公路賽車手烏爾里希的比賽用車就是FRP 制造的車型，整車重量?jī)H7.5kg。

3 結(jié)束語(yǔ)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其特性在運(yùn)動(dòng)器材上得到了非常廣泛的應(yīng)用。將其用在運(yùn)動(dòng)器材上具備非常顯著的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)RP 質(zhì)量輕，很多運(yùn)動(dòng)器材需要人力操作，比如羽毛球、乒乓球等運(yùn)動(dòng)，需要球拍越輕越好，但需要保證優(yōu)秀的力學(xué)性能，F(xiàn)RP 同樣具備顯著的力學(xué)性能。同時(shí)FRP 成型技術(shù)使得運(yùn)動(dòng)器材設(shè)計(jì)自由度非常高，只要設(shè)計(jì)出來(lái)就能用FRP制造出來(lái)。在當(dāng)前發(fā)展體育事業(yè)的背景之下，將FRP 應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材，將顯著促進(jìn)體育用品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。