高力學(xué)性能高分子材料與競技體育融合發(fā)展分析

李 萌

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

高分子材料是一種由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括碳纖維、聚氨酯、橡膠等。在材料技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，高分子材料與其他材料一樣在人類生產(chǎn)生活、生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。競技體育指的是在個(gè)人或群體體力、心智等充分挖掘與發(fā)展的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)造“更快、更高、更強(qiáng)”的杰出運(yùn)動成績?yōu)槭滓繕?biāo)的一項(xiàng)運(yùn)動過程。競技水準(zhǔn)的提高與運(yùn)動員所用到的體育設(shè)備，如設(shè)備如撐桿跳運(yùn)動中的撐桿、自行車運(yùn)動所使用的車輛、各類型運(yùn)動鞋類等的性能高度相關(guān)。隨著高機(jī)械性能高分子材料與競技體育融合程度的提升，高分子材料對競技體育的影響越來越深［1］。為此，本文對二者之間的融合發(fā)展路徑進(jìn)行了解讀，旨在理順高分子材料的性能優(yōu)勢，促使更多性能優(yōu)異的高分子材料應(yīng)用到競技體育項(xiàng)目中。

1 高機(jī)械性能高分子材料性能應(yīng)用特征

1.1 抗張強(qiáng)度

抗張強(qiáng)度，特指材料的抗拉強(qiáng)度、拉斷強(qiáng)度，因此又被稱作拉伸強(qiáng)度，是表述競技體育裝備、設(shè)施所使用的高分子材料機(jī)械性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通常情況下抗張強(qiáng)度反映了材料的斷裂抗力，該值越高則材料越不易發(fā)生拉斷，在應(yīng)用于競技體育器材如滑雪板、帆船桅桿時(shí)，該器材或部分零部件的整體性越強(qiáng)，越不容易出現(xiàn)斷裂［2］。抗張強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

其中，S 表示抗張強(qiáng)度，單位為kN/m；F 表示平均抗張力，單位為N；LW表示某種金屬或非金屬材料試樣的橫截面積，單位為mm。常見高分子材料的抗張強(qiáng)度見表1。

與一般金屬材料如鋁合金3A21（ 抗拉強(qiáng)度＜167MPa）相比，表1 所示的常見高分子材料顯然并不具備充分的抗張強(qiáng)度優(yōu)勢，因此部分學(xué)者逐漸開始將各種高分子材料進(jìn)行復(fù)合加工，試圖得到性能更加優(yōu)越的高分子復(fù)合材料。蔣雯［3］對一種聚四氟乙烯（PTFE）材料為基體的“三元高分子復(fù)合材料”的磨損率、抗張強(qiáng)度以及抗沖擊強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，認(rèn)為PTFE材料力學(xué)性能的將會隨填料總數(shù)（除基體樹脂外的其他材料）的增加而極速下降，在填料質(zhì)量百分比達(dá)到34%之后，PTFE 材料綜合力學(xué)性能降速逐漸放緩。孟志新等［4］利用化學(xué)氣相沉積等表面處理方法，對連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為在碳纖維復(fù)合材料表面沉積熱解炭會降低碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能和強(qiáng)度穩(wěn)定性。可見，高分子復(fù)合材料想要達(dá)到最佳的抗張強(qiáng)度需要根據(jù)不同材料的性質(zhì)進(jìn)行不同的質(zhì)量配比。當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料在最佳配比狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)超過了280 Mpa、比抗拉強(qiáng)度160；彈性模量22GPa，比彈性模量124［5］。高分子復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到或超過了一般合金材料。

表1 常見高分子材料抗張強(qiáng)度Table 1 Tensile strength of common polymer materials

1.2 抗彎強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度指的是競技體育中運(yùn)用高分子材料抵抗彎曲不斷裂的能力，主要運(yùn)用于對陶瓷及其他高分子復(fù)合材料部分脆性材料的強(qiáng)度的考察［6］。三點(diǎn)式測試抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

其中，R 表示抗彎強(qiáng)度，單位kN/mm2；F 表示破壞載荷，單位kN；L、b、h 分別表示跨距、寬度以及厚度，單位㎜。根據(jù)不同的高分子材料抗彎強(qiáng)度（應(yīng)力-應(yīng)變）曲線，可以將高分子材料分為六大類（圖1）。

圖1 根據(jù)抗彎強(qiáng)度曲線劃分高分子材料Fig. 1 Polymer materials are divided according to the curve of flexural strength

其中，硬而脆的高分子材料在不斷加大應(yīng)力的作用下，所形成的應(yīng)變力非常小，且硬而脆的高分子材料在達(dá)到屈服點(diǎn)前出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，呈現(xiàn)高模量、高抗張強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度較差等特征；當(dāng)硬而強(qiáng)的高分子材料處于應(yīng)力持續(xù)加強(qiáng)的條件下，產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)變，并在屈服點(diǎn)的周圍出現(xiàn)了斷裂。同時(shí)，在應(yīng)力的影響下形成較高的模量與抗張力；強(qiáng)而韌的高分子材料具有強(qiáng)抗張與高模量的應(yīng)用特征，在承受應(yīng)力不斷增強(qiáng)、達(dá)到屈服點(diǎn)的情況下，沒有出現(xiàn)斷裂情況，且專列延伸率較大，最后出現(xiàn)的斷裂情況符合韌性斷裂的特征；軟而韌高分子材料的優(yōu)勢特征有低模量、斷裂強(qiáng)度高、屈服點(diǎn)較低、延伸率較大等，能夠承受較大的應(yīng)力，最長應(yīng)用于對形變有較高要求的部件制備中；軟而弱高分子材料具有模量低、屈服點(diǎn)低的特征，但是在斷裂延伸方面有較好的表現(xiàn)，此類高分子材料常用于天然橡膠的制備中；弱而脆的高分子材料通常屬于低聚物，不能直接引入器材的加工過程中。

1.3 抗沖擊強(qiáng)度

抗沖擊強(qiáng)度能夠直接反映某種體育器械所用到的高分子材料的抵抗沖擊力［7］。測量高分子復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度的方法主要有簡支梁沖擊、懸臂梁沖擊和落球沖擊等。三種測試方法可以根據(jù)測試試樣規(guī)格、沖擊方式以及缺口類型等拓展出無缺口沖擊、低溫沖擊、高溫沖擊等測試方法。利用簡支梁沖擊、懸臂梁沖擊進(jìn)行高分子材料抗沖擊強(qiáng)度測試時(shí)的公式可用下式表示：

其中，a 表示抗沖擊強(qiáng)度，單位為kJ/m2；A 表示高分子材料試樣吸收的沖擊量，單位J；b、d 分別代表試樣寬度和厚度，單位㎜。在競技體育領(lǐng)域一些常見的高分子復(fù)合材料懸臂梁缺口抗沖擊強(qiáng)度見表2。

表2 體育領(lǐng)域常見高分子復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度Table 2 Impact stregth of common polmer composites in sports fieldmp

除表2 中提到的材料外，TPE 中的具有代表的品種SBS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種競技運(yùn)動鞋類產(chǎn)品的制作工藝中并取代了大部分橡膠。該類型材料具有耐磨、防裂、防軟和抗滑性，對于某些對鞋類抗震性能、防滑性能要求較高且屬于劇烈運(yùn)動的項(xiàng)目如足籃排球等具有較高的性能優(yōu)勢。同時(shí)，該材料較一般硫化橡膠更輕，顏色也更加鮮艷。

2 高機(jī)械性能高分子材料對競技體育的影響分析

2.1 非牛頓流體

羅筱［8］對非牛頓流體的概念進(jìn)行了總結(jié)并對非牛頓流體在體育防護(hù)用具中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為非牛頓流體的“剪切增稠”是其最重要的特征，與其他纖維材料進(jìn)行復(fù)合以后，能夠大幅提升體育運(yùn)動防護(hù)裝備的防刺、抗低速沖擊性能。利用非牛頓流體材料加工而成的籃球鞋（以匹克“態(tài)極”為代表）與一般籃球鞋相比，具有更好的自適應(yīng)特征，在運(yùn)動員處于低速狀態(tài)下時(shí)，鞋底能夠?yàn)檫\(yùn)動員提供柔軟而舒適的腳感，隨著運(yùn)動員呈現(xiàn)不同的運(yùn)動狀態(tài)如跑、跳、急停時(shí)，鞋子的中底材料又能夠?yàn)檫\(yùn)動員提供更大的彈性模量，此時(shí)鞋子的響應(yīng)、回彈和支撐性能更佳。利用非牛頓流體加工而成的“態(tài)極”系列籃球鞋鞋墊能夠?yàn)檫\(yùn)動員帶來具有普通鞋墊8倍的緩震效果，有效減少了回彈力對運(yùn)動員膝蓋的傷害。

2.2 高性能碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料具有高于一般金屬、木質(zhì)材料的比強(qiáng)度、比模量，自1970 年碳纖維商品化以來，越來越多的體育項(xiàng)目開始使用碳纖維材料用于某些高強(qiáng)度器材或高結(jié)構(gòu)損害、高承受能力部件的加工中。如在F1 賽車運(yùn)動中大量應(yīng)用輕量化車輛部件、碳纖維安全頭盔等挽救了許多生命。高性能碳纖維復(fù)合材料主要競技運(yùn)動產(chǎn)品類型見表3。

表3 碳纖維復(fù)合材料主要競技體育項(xiàng)目Table 3 Main copetitive common polmer composites

2.2.1 高爾夫運(yùn)動

碳纖維復(fù)合材料加工而成的高爾夫球桿是當(dāng)前高爾夫競技體育使用的主要新材料。該類型球桿質(zhì)量較金屬桿、木桿更輕，在既定體能和功率下能夠獲得更高的球桿速度、擊球速度，擊發(fā)準(zhǔn)確度更容易控制。2018 年10月Graphite Design 公司推出了Tour AD 系列高爾夫球桿，該球桿采用了東麗T1100G 碳纖維預(yù)浸料和先進(jìn)的納米合金技術(shù)，在原有一般碳纖維球桿的加工基礎(chǔ)上未增加多余纖維用量，但大幅提高了碳纖維高爾夫球桿的結(jié)構(gòu)剛度。該產(chǎn)品已經(jīng)成為美國公開賽（US OPEN）及高端體育代表產(chǎn)品。

2.2.2 網(wǎng)球拍

網(wǎng)球拍最初由木材或金屬材質(zhì)加工而成，由型球拍容易損懷同時(shí)不能承受較高的網(wǎng)線張力，加上運(yùn)動員在使用該類型球拍擊球時(shí)震動過于厲害，因此對于控球性要求更高的網(wǎng)球運(yùn)動員而言，這種硬度較低的材料已經(jīng)逐漸無法滿足其對更高競技水平的追求。碳纖維網(wǎng)球拍具有較輕的重量，在力學(xué)方面能夠帶來更強(qiáng)的抗沖擊性，同一運(yùn)動員使用過程中能夠獲得較金屬拍更好的擊球手感。碳纖維球拍中的樹脂基質(zhì)量占比約在38%～57%，樹脂含量較高會使得球拍的性能下降。

2.2.3 桅桿

在設(shè)計(jì)現(xiàn)代水上運(yùn)動中的桅桿時(shí)，需要主要考慮桅桿在該項(xiàng)目中的承受壓縮應(yīng)力，同時(shí)桅桿需要向帆船運(yùn)行的反向有一定的弧度，對桅桿的航行性能進(jìn)行優(yōu)化。因此，桅桿對向前的彎曲應(yīng)力要求較高，一旦彎曲應(yīng)力超過材料的自身承受范圍很容易發(fā)生折斷。碳纖維材料具備重量輕、硬度大、彎曲能力強(qiáng)等特性，因而在現(xiàn)代桅桿加工中，已經(jīng)逐漸將碳纖維復(fù)合材料取代了原有的木質(zhì)、金屬質(zhì)桅桿。碳纖維復(fù)合材料桅桿能夠增大船的扶正力矩、減小競技過程中船體的縱搖，在大幅提升運(yùn)動員競技水平的同時(shí)幫助運(yùn)動員獲得更加令人舒服的航行速度。

2.3 聚氨酯

聚氨酯面料即氨綸面料，基于聚氨酯材料有較高的機(jī)械強(qiáng)度、柔軟性等特征，利用聚氨酯材料加工而成的氨綸面料具有優(yōu)良的防風(fēng)、防水、耐磨以及抗老化性能，在于其他材料進(jìn)行混合以后可以用于加工泳衣、登山服、耐高壓潛水服等。由于一般聚氨酯面料加工而成的衣服透氣性能通常不佳，因而部分廠家采用底膠（聚對苯二甲酸乙二酯甲氨綸）+ 面膠涂層（聚碳酸酯型氨脂膜）的方法對氨綸面料進(jìn)行加工，得到了能同時(shí)做到透氣、速干、防水、高彈性的新型面料，被廣泛應(yīng)用于職業(yè)游泳競技體育中，幫助運(yùn)動員提升了運(yùn)動舒適性、降低了游泳時(shí)對人體及衣物的阻力，有助于運(yùn)動員提升競技成績。

3 結(jié)語

綜上，本文針對高機(jī)械性能高分子材料與競技體育融合發(fā)展進(jìn)行了分析，首先對高機(jī)械性能高分子材料性能與優(yōu)勢進(jìn)行分析，認(rèn)為與一般體育器械用材料相比，高分子材料在抗張強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等方面具有顯著優(yōu)勢，其次以非牛頓流體材料、碳纖維復(fù)合材料以及聚氨酯材料為例，對高分子材料與競技體育的融合發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)解讀。