纖維增強塑料在體育領域中的應用研究

馬 艷，牛海波，馬夢琪

(西安交通大學城市學院，陜西 西安 710018)

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，體育運動得到越來越多的重視，體育競技活動發(fā)展日益迅速。研究顯示，我國體育領域的產(chǎn)值巨大，極大地推動了我國經(jīng)濟的發(fā)展。作為體育競技發(fā)展的輔助，體育器材具有重要的支撐作用，其安全性對運動員的健康有著直接影響，且器材性能與質(zhì)量一定程度上決定了體育競技運動的發(fā)展水平。一般情況下，木材、塑料及鋼材等組成體育器材的主要制作原料。其中，憑借輕質(zhì)高強、耐腐蝕及力學強度優(yōu)良等特性，塑料逐漸成為體育器材制作的主要材料之一[1-2]。然而由于強度較低、易變形和老化以及服役壽命短等不足，塑料在體育器材中的應用受到了一定限制。為改善傳統(tǒng)塑料的綜合性能，通過纖維進行改性是一種有效途徑。本文為探究體育器材中纖維增強塑料的應用情況，對幾類常見纖維的增強塑料材料開展闡述，如碳纖維、玻璃纖維及高強高模合成纖維等。通過總結(jié)相關纖維增強塑料的應用特性，并分析其在體育器材中的應用情況，繼而更好地推動我國體育領域中新型復合材料的應用。

1 纖維增強塑料概述

纖維增強塑料是一種新型復合材料，其將纖維作為改性材料，以塑料作為基底材料，基于相應成型工藝（模壓、纏繞或擠壓等）加工制作而成。纖維增強塑料作為兩相復合材料，在兼顧纖維和塑料兩種原材各自優(yōu)良性能的基礎上，克服了原始單一材料存在的缺陷，實現(xiàn)了塑料材料的性能提升。研究顯示，纖維增強塑料能較好地契合體育器材的應用需求，已成為主要的制作原材之一。

根據(jù)摻入纖維的類別，纖維增強塑料主要包括合成纖維增強塑料與無機纖維增強塑料。顧名思義，前者的改性材料為合成纖維，如超高模量聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維及混雜纖維等；后者的改性材料主要為無機纖維，如碳纖維、玻璃纖維、碳化硅纖維及硼纖維等。通過纖維改性，塑料的性能劣勢能夠得到彌補，但不同纖維增強塑料的性能各不相同，其在體育器材中的應用也存在差異。

2 纖維增強塑料在體育器材中的應用

2.1 碳纖維增強塑料的應用

在當前使用纖維增強塑料的體育器材中，最為常見的是碳纖維增強塑料，其憑借易于加工、輕質(zhì)高強及力學強度優(yōu)異等特性，具有廣闊的應用前景。在實踐中，碳纖維增強塑料的應用領域一般包括網(wǎng)球拍、帆船骨架、自行車架以及保齡球等[3]。

張國勝[4]以碳纖維增強塑料為原材，通過纏繞成型的工藝制取網(wǎng)球拍，并開展了對應的力學測試與微觀構(gòu)造分析。試驗發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強塑料的拉伸強度與模量分別達到1.5GPa和140GPa，密度僅為1.45g/cm3，較鋁/鈦合金等更小，而力學強度則更優(yōu)，其比模量為0.97×109cm。在擊球彈性方面，相比傳統(tǒng)木質(zhì)球拍，碳纖維增強塑料制得的網(wǎng)球拍是其1.5倍，在安全與便捷方面更加符合使用要求。

盛夏[5]為制得碳纖維增強塑料撐桿，同樣利用了纏繞成型工藝并與常規(guī)木質(zhì)撐桿開展了對比分析。研究顯示，在撐桿跳成績方面，對于同水平運動員，使用碳纖維增強塑料撐桿與木質(zhì)撐桿的成績分別為4.4m和3.3m，表明碳纖維增強塑料可更好地實現(xiàn)運動員動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化，其優(yōu)異的彈性有助于獲取更好的成績。

和振東等[6]以耐腐蝕性與力學強度為指標，對賽艇槳桿進行了試驗，其制作原材為碳纖維增強塑料。分析表明：當試件長寬分別為0.25、0.02 m時，相比聚酯塑料98.54MPa的拉伸強度，碳纖維增強塑料可達281.56MPa；經(jīng)鹽堿混合溶液浸泡腐蝕長達3周后，由碳纖維增強塑料制成的賽艇槳桿表面才出現(xiàn)氣泡，表明其耐腐蝕性優(yōu)良（實際使用時材料一般不會長期置于高鹽堿環(huán)境中），符合使用要求。

周博[7]探究了體育器材中碳纖維增強塑料的應用價值，指出在皮劃艇、滑雪桿及自行車等領域，碳纖維增強塑料憑借輕質(zhì)高強的特性，可有效降低運動員體能消耗，改善運動成績。此外，拉拔、擠壓或纏繞等工藝均適用于碳纖維增強塑料的成型，加工便捷，可靈活滿足體育器材不同的形態(tài)要求。

黃珂[8]基于高爾夫球桿，探究了碳纖維增強塑料的應用，并測試了其性能。試驗發(fā)現(xiàn)：相較金屬高爾夫球桿，碳纖維增強塑料高爾夫球桿可以減輕40%，其彈性模量為470GPa。但碳纖維增強塑料的粘附性稍低，在實際應用中尚需通過表面改性以提升高爾夫球桿的綜合性能。

2.2 玻璃纖維增強塑料的應用

根據(jù)性能不同，玻璃纖維一般包括常規(guī)玻璃纖維、高強玻璃纖維以及多種玻璃纖維的復合物。在進行塑料改性時，將玻璃纖維作為改性材料可顯著增強抗彎拉與力學性能。當下，體育行業(yè)中的玻璃纖維增強塑料得到了較多應用，如網(wǎng)球拍、滑雪桿、高爾夫球桿等[9]。馬德厚[10]在船槳制作時應用了復合玻璃纖維增強塑料，通過分析制作工藝與性能發(fā)現(xiàn)：將高強玻璃纖維與常規(guī)玻璃纖維摻合制得平紋織物，再開展塑料改性，由此制得的船槳質(zhì)量輕便，且抗沖擊性能改善顯著，可使賽艇航速增加約20%。

李娟[11]以常規(guī)塑料與玻璃纖維增強塑料為原材，對比探究了沖浪板中玻璃纖維增強塑料應用的耐腐蝕性與力學強度，試驗發(fā)現(xiàn)：由玻璃纖維增強塑料制得的沖浪板拉伸強度、斷裂伸長率及沖擊強度均符合使用要求，且其拉伸強度比常規(guī)塑料沖浪板高出近1/4。經(jīng)過鹽堿溶液浸泡1個月后，普通塑料的質(zhì)量損失為0.07g，而玻璃纖維增強塑料僅為0.02g，表明其耐腐蝕性較為優(yōu)異。

杜希巖等[12]基于滑雪板視角，分析了玻璃纖維增強塑料的應用，認為以玻璃纖維增強塑料作為原材可提升滑雪板的強度與韌性，對玻璃纖維增強塑料滑雪板的性能進行測試發(fā)現(xiàn)：在吸濕、耐熱與耐腐蝕性方面，玻璃纖維增強塑料均有較好表現(xiàn)，同時纖維直徑與力學強度呈負相關，直徑低至30μm內(nèi)時，可獲得比強度超過600N·m/kg的高強滑雪桿。李豫[13]以復合玻璃纖維增強塑料為原材制作曲棍球，試驗認為：新型曲棍球的吸振性能突出，在比賽中可大幅降低振動，利于球員控制小球，改善運動成績；測定復合玻璃纖維增強塑料的有關性能可知，相較常規(guī)合金曲棍球，復合玻璃纖維增強塑料能提升3倍強度，而自重僅為1/3。

張馨嬌等[14]分析了自行車領域的玻璃纖維增強塑料應用效果，通過測試研究發(fā)現(xiàn)：將玻璃纖維增強塑料應用于自行車架體，除斷裂伸長率稍差外，可有效提高拉伸強度與服役年限，并降低車體自重。

2.3 高強高模合成纖維增強塑料的應用

在體育領域，高強高模合成纖維增強塑料的改性材料一般為超高模量聚乙烯纖維與芳香族聚酰胺纖維，前者較多應用于水上、冰上以及球類運動中，而后者在滑雪板、自行車與網(wǎng)球拍中應用廣泛[15]。

顧龍鑫等[16]探究了賽艇中芳香族聚酰胺纖維增強塑料的應用特性與效果，研究發(fā)現(xiàn)：相比碳纖維增強塑料或鋁合金，芳香族聚酰胺纖維增強塑料的密度更低，僅約1.44g/cm3，而最大的拉伸強度逾1300MPa；以芳香族聚酰胺纖維增強塑料為原料制成的賽艇具有優(yōu)異的強度、剛度及韌性，符合國際競賽的賽艇標準，且耐腐蝕性能良好。

齊佳[17]總結(jié)了體育器材中采用芳香族聚酰胺纖維增強塑料的優(yōu)勢，認為芳香族聚酰胺纖維增強塑料可在網(wǎng)球拍與自行車中進行良好應用。能優(yōu)化網(wǎng)球拍的抗沖擊性與延展性，增強減振吸能性能；可在保證自行車車體美觀的基礎上，有效改善車體安全性與體驗感，提升使用壽命。任意[18]探究了超高模量聚乙烯纖維增強塑料的相關工藝與應用，試驗表明：由于分子量大、黏度高、流動性弱，為達到制造工業(yè)化的目的，需要對超高模量聚乙烯纖維應用凍膠紡絲工藝；相較芳香族聚酰胺纖維增強塑料和碳纖維增強塑料，由超高模量聚乙烯纖維增強塑料制得的賽艇具有更高的強度與密度，可適應腐蝕性或高濕度條件。

黃曉華[19]分析了足球領域中超高模量聚乙烯纖維增強塑料的應用情況，認為在減振與柔軟度方面，由超高模量聚乙烯纖維增強塑料制得的足球有更好的表現(xiàn)，不易造成運動員的損傷。同時，為實現(xiàn)超高模量聚乙烯纖維增強塑料的批量化加工與生產(chǎn)，費用較少的二步法硅烷交聯(lián)工藝是較好的選擇。李娜[20]對比闡述了羽毛球拍網(wǎng)線中的超高模量聚乙烯纖維增強塑料應用，認為相較常規(guī)的聚乙烯網(wǎng)線，新型網(wǎng)線的反彈性更佳，可更好地滿足運動員控球、扣殺與放網(wǎng)等過程中的沖擊性能，改善控球感與擊打感，進一步促進運動成績的提升。此外，在耐熱與耐用性方面，超高模量聚乙烯纖維增強塑料也具有一定優(yōu)勢，有利于羽毛球拍網(wǎng)線服役年限的延長。

2.4 其他纖維增強塑料的應用

在體育器材應用方面，對于纖維增強塑料，除碳纖維、玻璃纖維與超高模量聚乙烯纖維等改性纖維外，還有碳化硅纖維、硼纖維以及混雜纖維等。其中，碳化硅纖維增強塑料適用于滑雪板，硼纖維增強塑料可充當網(wǎng)球拍與釣魚竿的原材，而混雜纖維增強塑料則被較多地用于高爾夫球具與籃球等體育器材中[21]。張蕓蕓[22]以碳化硅纖維增強塑料為研究對象，分析了其性能與構(gòu)造，并介紹了應用情況。研究發(fā)現(xiàn)，碳化硅纖維增強塑料可耐逾1200℃的高溫，且綜合性能突出，如抗壓耐磨、拉伸強度與模量高等，適用于滑雪板、撐桿等體育器材中。

李承宇等[23]探究了硼纖維增強塑料材料的特性與應用現(xiàn)狀，通過與其他纖維增強塑料性能的對比分析，總結(jié)認為：硼纖維增強塑料拉伸強度與拉伸彈性模量較高，分別可達3600MPa和400GPa，且硬度遠高于碳化硅纖維增強塑料，而密度僅為2.57g/cm3；將硼纖維增強塑料作為高爾夫球桿原材，有助于增強球桿的擊球感，除可更好地操控高爾夫球的方向外，還能延長其飛行距離。潘利利[24]總結(jié)了體育器材中碳化硅纖維增強塑料的相關應用，認為在拳擊臺、沖浪板與皮劃艇等制作中均可應用碳化硅纖維增強塑料，然而其當前的加工工藝尚處于初級階段，工業(yè)化制作成本高昂，阻礙了其推廣應用。

3 結(jié)語

體育器材一般要求具有較好的耐用性與安全性等性能，作為一種典型的現(xiàn)代化復合材料，纖維增強塑料不僅安全耐用，而且還具備易加工、使用輕便、設計自由度高及力學強度好等優(yōu)勢，已逐漸取代傳統(tǒng)木質(zhì)或鋼質(zhì)材料成為體育器材的主要原材之一。但當下針對纖維增強塑料的研究尚不完善，少有涉及纖維增強塑料材料類別、特性與生產(chǎn)工藝的探究，導致體育器材中的纖維增強塑料應用存在較多限制，應用潛力未能得到充分挖掘。未來尚需深入開展纖維增強塑料中的改性材料多樣化研究，優(yōu)化復合材料生產(chǎn)工序，提升纖維增強塑料的綜合性能，有效助力體育行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。