碳纖維增強塑料在體育運動器材中應用研究

劉利鋒

( 西安培華學院，陜西西安710000)

近年來，隨著人們生活水平的逐漸提高，全民健康意識也在不斷增強，并且，隨著我國經濟水平和科技實力的進步，我國的體育事業也在快速地發展。在人們的休閑娛樂中，越來越多的人開始通過各種各樣的活動參與到運動中去［1］。在此過程中，不可避免的需要使用各種所需的體育器材。由于大多數的體育運動器材以塑料或金屬材料為主，普遍存在著強度低、質量大、耐磨性能以及抗腐蝕能力差以及安全性能不高等問題，因此，制備力學性能良好、輕便而且安全的新型體育運動器材并逐漸推廣至大眾的視野將對體育事業的發展帶來巨大的推動作用［2-3］。目前，應用于體育運動器材的新型材料主要有碳材料［4-6］（碳纖維、活性碳纖維、氣相生長碳纖維、金剛石薄膜、石墨層間化合物、碳微球等）、纖維增強復合材料（碳纖維、活性碳纖維、氣相生長碳纖維、尼龍纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、硼纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維等）［7-10］、新型合金材料（鎂合金、鋁合金和鈦合金等）以及其他的新型復合材料（生物工程塑料、紡織復合材料、納米材料等）［11-15］。其中，碳纖維增強塑料在體育運動器材的設計和制備中具有廣泛的應用，本文將對碳纖維增強塑料在體育運動器材中的應用展開論述。

1 碳纖維增強塑料概述

碳纖維增強塑料屬于碳纖維與各種樹脂通過各種工藝復合而成的復合材料，其中，碳纖維是以粘膠絲、聚丙烯腈纖維和瀝青絲等為原料在1000～3000 ℃條件下經過碳化而成。并且分為高強型和高模量型兩種。碳纖維的直徑約為7μm，進行表面處理后可與樹脂材料進行復合從而有效提高塑料的力學性能和物理性能，其制備流程如圖1 所示。

圖1 碳纖維增強塑料制備流程圖Fig. 1 The preparation flow chart of carbon fiber reinforced plastics

1.1 碳纖維增強塑料分類

碳纖維增強塑料分為熱塑性和熱固性兩種，因樹脂基底不同，其反應類型和材料性能存在著較大的差異。熱塑性碳纖維增強塑料在加工過程中屬于結晶和玻璃化轉變，而熱固性碳纖維增強塑料在加工過程中發生的是交聯和固化反應。由碳纖維增強熱塑性塑料制作的物件具有密度小、力學性能優異、可回收重復利用等優點，在軍工、機械、醫療、航空航天等領域都有著廣泛的應用前景。碳纖維增強熱塑性塑料制備的物件同樣具有較優異的力學性能，耐腐蝕、耐熱抗寒，而且成型工藝技術已成熟。目前，碳纖維增強熱塑性塑料原料主要有熱塑性聚酰亞胺、聚苯硫醚和聚醚醚酮等；碳纖維增強熱固性塑料原料主要有環氧樹脂、熱固性聚酰亞胺樹脂、雙馬來聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂以及不飽和聚酯等。

1.2 碳纖維增強塑料的應用優勢

傳統的體育運動器材所使用的的材料一般為金屬、塑料、木材等。由于各種環境因素的影響，不可避免的會造成器材的老化、腐蝕與損壞。相對于碳纖維增強塑料所制備的體育運動器材來說，由于諸多優點，正逐步推廣至大眾的視野并受到越來越多的人的青睞［10,16-19］。其具體的應用優勢主要有：

（1）質量輕

在體育鍛煉或者比賽中，諸如球拍類、桿和棒類以及板類等運動器材的質量越是輕便，越會受到廣泛的青睞。使用質量較輕的體育器材，在鍛煉或比賽過程中，不僅可以提高器材的操作性能，也有利于使用者的發揮。對于賽車和帆船等這些借助大量動力的的競技類器材來說，質量輕便，可減少使用過程中的阻力，也可節約運動員的能耗，從而提高使用效率。因此，使用質量輕便的碳纖維增強塑料制備的運動體育器材具有巨大的優勢。

（2）力學性能優異

碳纖維具有直徑小、密度小、結構穩定、模量和強度高的特點，據報道，由環氧樹脂所制備的碳纖維增強塑料耐疲勞特性比金屬材料以及木材等要高數倍，非常適宜用于體育運動器材的制備。

（3）耐腐蝕、抗寒耐高溫

由于碳纖維增強塑料的原料為碳纖維和樹脂，在酸堿鹽的各種環境下均不易發生化學反應，因此具有較強的耐腐蝕性能；并且碳纖維增強塑料可在-50～180 ℃的溫度范圍內使用，熱膨脹系數近乎為“0”，具有較好的抗寒耐高溫性能。

（4）安全、環保

碳纖維增強塑料所制備的體育運動器材，由于碳纖維的作用，基體不易發生變形和破損，即使有破損的地方，也不會繼續發生大面積的連鎖反應，具有良好的破損安全性能。碳纖維增強熱塑性塑料由于其可塑性強的特點，可以回收進行二次加工使用。

2 碳纖維增強塑料在體育運動器材上的運用

目前，體育運動器材的制備材料層出不窮，但其品質總是參差不齊。在體育運動中，器材的質量往往影響著使用者的發揮水平和實力，因此良好的觸感和穩定性至關重要。由于碳纖維增強塑料具有質量輕、力學性能優異、安全環保等諸多優點，在目前的體育運動器材的制備中已較為普遍。其類型主要分為：板類、球類、球拍類、桿類和棒類以及其他［15-22］（見表1）。

表1 碳纖維增強塑料在體育運動器材中應用實例Table 1 Examples of application of carbon fiber reinforced plastics in sports equipment

2.1 板類

板類體育運動器材主要包括滑雪板、沖浪板、滑翔機翼板、帆船板等。在板類體育運動器材使用過程中，如滑雪板和沖浪板，不僅需要承受使用者的的身體重量，還會在運動中與地面或水面有長時間的接觸。因此，這就要求這些板類體育運動器材材料具有輕巧的特性，而且需要有較高的減震性能、穩定性能以及良好的耐摩擦性能。碳纖維增強塑料中的芳綸纖維增強塑料所制成的具有夾心結構的板材，具有良好的穩定性和耐摩擦性等優勢，充分滿足其特性要求。對于滑翔機翼板、帆船板等這些用于比賽項目的器材來說，質輕、穩定性好的特性有助于運動員獲得更好的成績。因此，目前采用模壓成型的工藝可將密度低、穩定性良好的碳纖維增強塑料用于制作滑翔機翼板、帆船板等，具有廣泛的前景［2］。

2.2 球和球拍類

眾所周知，我國正在大力發展體育事業。目前，球類和球拍類的市場可以說非常的巨大。而在球類的框架制作中，由于碳纖維增強塑料具有良好的阻尼性和減震性能，可以大大地提高其舒適性并降低變形比例，非常適用于球類的框架制作。而對于羽毛球拍和網球拍來說，在使用過程中，面對高速球體的沖擊，其受力情況相當復雜，這就要求框架的制作材料具有良好的綜合性能。并且，為了使用者操作方便，質量輕且強度高的材質更加適用于球拍的制作。碳纖維增強塑料所制備的球拍，通過不同的工藝和設計不僅可以提高材質的扭曲剛性和強度，還可以使球拍框具有高比強和高比模的性能，在使用過程中保持良好的減震性能而不易變形，并具有良好的方向性。因此，近年來，國內外市場中所銷售的高檔球拍制作材料大多為碳纖維增強塑料所制備。

2.3 桿和棒類

早在1972 年，高爾夫球桿的制作首次使用碳纖維復合材料。碳纖維增強塑料所制作的高爾夫球桿，相比于傳統的柿木棒頭，具有更好的耐沖擊性能，并且具有彈性好、強度高、密度小的特點。據報道，目前所使用的性能較好的高爾夫球桿和壘球棒所使用的材料大多是碳纖維增強塑料。此外，諸如撐桿、釣魚竿等桿類在制作時，要求材料具有較大的彈性、質輕以及較高的拉伸強度，因此，含碳量為30%～90% 的碳纖維增強塑料可作為最佳的制備材料。

2.4 其他

由于碳纖維增強塑料在多方面都具有優異的性能，因此，在體育運動器材方面的應用層出不窮。近年來，在弓箭、自行車、登山繩索、溜冰鞋輪子、滑梯、頭盔等的制備中都有廣泛的應用。相信在未來的發展中，將會有更多的體育器材產品來滿足運動者的需求。

3 結語

由于我國人口眾多，并且隨著全民健康意識的逐漸提高，每年體育運動器材的需求量不僅越來越大，對其性能的要求也在逐漸提高。由于碳纖維增強塑料具有質量輕、強度高、耐磨損、阻尼性能好、耐腐蝕、抗寒耐高溫、價格低且環保等眾多優點，是一種綜合性能優異的增強塑料。并且，可根據不同的體育運動器材形狀和性能要求，對纖維與塑料的比例進行調節并可選擇合適的成型工藝增強器材的性能，因此，纖維增強塑料在體育運動器材領域將會具有廣泛的應用。