體育運動場地用合成材料面層的沖擊吸收性能研究

杜逸帆

（青島農業大學，山東 青島 266109）

合成材料是指經過化學方法加工，將相關原材料進行化學合成而形成的一種人共材料。當前，常用的合成材料主要有三大類，分別為橡膠、塑料和合成纖維。隨著合成材料的逐漸發展以及其獨特的優勢，其在各個領域都得到了廣泛的應用，尤其是將其運用到體育運動的各種場地中，例如塑膠跑道、籃球場地等，不僅對于運動場地的發展有極大的促進作用，更對運動員的人身安全起到了重要的保護作用。作為體育場地用的合成材料需要具有優異的沖擊吸收性能，才能得到廣泛應用，對于合成材料的沖擊吸收性能，通常采用沖擊吸收系數FR進行表征。大量的研究證明，只有合成材料面層的沖擊吸收系數在一定的數值范圍內，才能對于運動員起到較好的保護作用，并有利于運動員成績的提高，當沖擊吸收系數超出或者低于這一范圍，則不利于體育活動的開展。為此，本文針對體育運動場地用合成材料面層的沖擊吸收性能的相關研究進行了簡要的綜述，希望對于合成材料面層未來在體育運動場地中的運用研究起到一定的參考作用。

1 合成材料面層

有機高分子材料的沖擊韌度值通常較高，在吸收沖擊能量、降低沖擊波振幅、減小沖擊破壞等方面具有很大的優勢，因此，在較大的沖擊載荷下能夠起到很好的緩沖和防護作用，在體育運動場地中被廣泛運用[1]。聚氨酯材料具有較好的耐候性、抗壓強度和平整性，且其沖擊吸收性能較好，因此，被用于體育運動場地的鋪設中，不僅有較好的體驗感，而且還能對運動員起到一定的保護作用，是目前被用于體育場地中較多的合成材料面層[2-4]。

合成材料面層的結構為雙層結構，分別為底膠層與面膠層，其制備過程中所用的原料大致相同，只在原料的配比和制備方法上有所區別。運動場地建設過程中，合成材料面層運動場地的鋪設通常有兩種方式，一種是將制備合成材料面層的原料在鋪設現場進行混合，然后直接鋪于混凝土基層，另一種方式是，將制備好的合成材料面層用粘合劑等粘到混凝土基層上，目前幾乎所有的體育跑道均用合成材料面層進行表面鋪設。隨著技術的不斷進步以及研究的不斷擴大，各種各樣的合成材料面層不斷涌現，根據體育場地中鋪設的合成材料面層的種類，可以將體育場地細分為全塑型、復合型和混合型三種類型。全塑型的運動場地造價高，但是各項性能均較好，因此被廣泛應用于體育賽事中。而其他兩種類型的運動場地相對于全塑型的來說性能指標較差，但是其價格低廉、性價比高，因此受到普遍應用。當然任何一種合成材料面層體育場地的使用都要符合一定的鋪設標準，必須經過嚴格的檢驗，包括其外觀、物理性能等各方面的檢測，只有各個方面的性能全部達標才能進行使用。在合成材料面層的各項性能中其物理性能至關重要，檢測的項目主要有拉伸強度、沖擊吸收性能等，而沖擊吸收性能是關系到其運用到體育運動場地的關鍵指標。

2 合成材料沖擊吸收性能測試方法

2.1 試驗法測定沖擊吸收性能

徐靜怡等在南京理工大學的實驗室進行了復合材料彈道貫穿測試，對合成材料對位芳族聚酰胺纖維的抗沖擊性能進行了研究。該實驗觀察了受到沖擊后對位芳族聚酰胺纖維的破壞情況，對位芳族聚酰胺纖維在受彈擊面發生了明顯的基體開裂和凹陷，且對位芳族聚酰胺纖維的彈道沖擊破壞發生于材料的局部，說明合成材料對位芳族聚酰胺纖維有較好的沖擊吸收性能[5]。徐秋月等利用低速沖擊測試裝置對聚氨酯泡沫等三種緩沖材料進行了低速沖擊實驗，并進行了靜態壓縮實驗，探索了緩沖材料的抗壓縮能力與沖擊能量吸收性能之間的關系并得出結論，緩沖材料的壓縮性能對材料的沖擊吸收性能有一定程度的影響[6]，即具備一定壓縮性能的合成材料會其沖擊吸收性能會受到影響。這些研究均促進了合成材料在體育運動場地的運用和發展。

2.2 數值模擬法測定沖擊吸收性能

試驗法在材料沖擊吸收性能的測定過程中受到很多因素的影響，有一定的局限性，在復雜的力學問題中其應用有較大的困難。

1956年，Turner提出了有限元的概念，有限元理論得到迅速的推廣和應用。隨著計算機技術的發展，以有限元為基礎的數值模擬法迅速發展，并逐漸被用于復雜的力學問題方面的研究。練軍等通過在合成材料的結構基礎上建立有限元模型，研究了合成材料的彈道沖擊性能。他們利用Ls-Dyna求解器對相關參數進行計算，得到合成材料受到彈道沖擊后的破壞模式圖，并與實際彈道沖擊后的結果相比較，發現兩者的一致性符合要求，確定了有限元模型在合成材料的沖擊吸收性能測定過程中精確性較高[7]。國外的研究專家Baroud 通過創建現有運行軌跡的三維有限元模型，表征了運動過程中實際載荷作用下合成材料面層運動場地的相關能量[8]。杜梅等[9]通過有限元建模分析研究了空芯材增強復合材料的抗沖擊性能，他們分析了纖維體積分數對材料抗沖擊性能的影響并得出結論，一般情況下，材料的抗沖擊性能與纖維體積分數呈正比的關系。通過該研究我們不難發現，纖維體積分數對于合成材料的沖擊吸收性能會產生一定的影響。國外研究者Andena采用數值模擬法，通過開發一種新的三維模型有效地預測了合成材料面層運動場地的沖擊吸收系數，通過對比實驗對預測結果進行了驗證，確定了三維模型對于沖擊吸收系數預測的準確性。

吳紅儒等對合成材料面層運動場地沖擊吸收性能進行了研究，他們按照一定的試驗規范，測定了復合型和混合型合成材料試樣的沖擊吸收系數，利用ANSYS Workbench建立了沖擊吸收實驗三維數值模型，對上述兩種類型的合成材料式樣進行了沖擊吸收試驗數值模擬，驗證了數值模型的準確性。并采用數值模擬的方法，對蜂窩狀結構的混合型合成材料展開數值模擬，將獲得的沖擊吸收系數與混合型合成材料進行對比，探究了蜂窩狀結構對合成材料沖擊吸收系數的影響。通過對比實驗，驗證了數值模擬法和沖擊吸收實驗三維數值模型的準確性[10]。

實驗法和數值模擬法在合成材料沖擊吸收性能研究過程中會有一定的局限性，將二者結合起來進行研究的開展工作已經是科研常用的方式，因此，在未來的研究過程中可以采用二者結合的方式進行合成材料沖擊吸收性能的研究。

3 原料對合成材料面層沖擊吸收性能的影響

合成材料的物理化學性能主要由其本身組成的原料決定，不同的合成材料由于其原料種類的不同、原料配比的不同而表現出不同的性能。本節主要介紹原料對合成材料沖擊性能的影響研究。

Dhakal等研究了大麻纖維對合成材料沖擊性能的影響。他們分別對含有不同體積分數大麻纖維的合成材料試件進行了沖擊響應實驗，并與采用相同體積分數的大麻纖維對同樣的材料進行纏繞的試件進行了對比實驗，證明了采用大麻纖維作為加固材料，能夠提高合成材料的沖擊吸收性能[11]。夏艷麗等以硼酸和硅油等為原材料制備了一種高分子材料剪切增稠凝膠，研究了其物理化學性能，他們將該種剪切增稠凝膠通過“浸漬-干燥”的方式與聚氨酯材料進行復合，通過一系列的實驗研究了復合材料的抗沖擊性能。并與復合前后的聚氨酯材料的抗沖擊性能進行對比，證明了在剪切增稠凝膠與聚氨酯材料復合后增強了聚氨酯材料的抗沖擊性能[12]。楊昶等采用單因素實驗的方法，研究了異氰酸酯、交聯劑、泡沫穩定劑、固化劑、錫類催化劑、發泡劑、胺類催化劑等對合成材料沖擊性能的影響[13]。他們通過實驗證明了，這些原料的加入以及用量的不同會對合成材料的沖擊性能產生不同程度的影響。

綜上，為了改善體育場地合成材料面層的沖擊吸收性能，可以通過實驗的方法找出合適的原料配比以及添加方式，從而提高運動場地的使用效果。

4 結語

體育運動場地合成材料面層的沖擊吸收性能關系到運動員的成績以及人身安全，因此，開展合成材料面層沖擊吸收性能的研究具有重要的意義。實驗法和數值模擬法對于合成材料沖擊吸收性能的研究適用于不同的應用場景，在未來的研究過程中，積極探索兩種實驗方法，建立數值模型，展開對體育運動場地合成面料層的研究工作，將帶來很高的社會價值。