CFRP 復合材料在不同運動器材中的結構性能及價值研究

苗承佳（蘭州市安寧區蘭飛小學 甘肅 蘭州 730076）

近年來，我國體育事業發展十分迅速，從而也對體育器材應用和制造提出更高要求，碳纖維復合材料是體育用品產業發展的主流方向之一。通過這種材料，能夠制作自行車車架、網球拍、高爾夫球桿等等，滿足人們的多樣化運動需求。一方面，能夠提升運動器械性能；另一方面，也能避免或減輕運動給人體帶來的傷害，提高運動效果。

1、CFRP 復合材料發展歷程概述

在現代化體育事業發展當中，體育器材扮演著十分重要的角色，它能夠為相關體育運動的開展奠定良好基礎，同時也是促進現代體育健康發展的前提。在對體育器材進行生產和制造的過程中，要根據化學材料研究現狀，對材料應用積極創新。在這一過程中，碳纖維復合材料應運而生，并在體育器材當中應用十分廣泛，碳纖維復合材料主要就是將相關元素進行復合，具體如金屬、樹脂、碳纖維等等，從而形成碳纖維復合材料。就目前結構材料的發展狀況來看，碳纖維復合材料有著更為優秀的綜合指標，包括其比模量以及比強度等都是較為突出的應用優勢，其強度是鋼鐵的5 倍，但同時質量又比較輕，具有良好的耐熱性能。碳纖維復合材料的廣泛應用，是化學合成工業不斷發展的必然結果，應用碳纖維復合材料，對體育器材進行鑄造和加工，能夠增強運動器械舒適度和使用性能。雖然也會有一定缺陷存在，但隨著生產工藝和技術水平的不斷提高，其性能也能得到進一步優化，滿足現代人們的運動需求。

在快節奏的現代社會發展中，人們健康意識逐漸增強，越來越重視運動健身，這使得現代化體育運動已經打破了傳統的單一化模式，逐漸開始向大眾化方向發展。隨著體育運動事業的不斷發展，體育器材生產和鑄造也要與時俱進。積極創新和開發體育器材，以更好地滿足體育事業發展的多樣化需求。對于體育器材生產和設計而言，要想取得理想效果，就要結合用戶的行為習慣，對運動器材造型進行全面優化，根據不同運動項目特點，對材料選擇和應用進行完善，以更好地滿足大眾的個性化和多樣化運動需求。

2、CFRP 復合材料應用于運動器材的結構性能及價值

2.1、設計自由度高

隨著復合材料成型技術的不斷發展，也讓體育器材設計自由度大大提升，碳纖維復合材料最突出的特征在于各向異性，通過對纖維的鋪疊方式和方向加以改變，作局部增強處理，或對某一方向的受力情況加以改變，可以結合用戶的體力強弱、技能水平、性別、年齡等特征，進行多樣化設計，以充分發揮體育器材的應用效果，滿足用戶的個性化運動需求。

2.2、阻尼性能好

碳纖維復合材料本身黏彈性較好，界面上的脫黏或微裂縫處存在較強的摩擦力，其在震動過程中能夠借助這種摩擦力和黏彈性實現動能向熱能的轉化，與鋼質材料或者是鋁合金材料相比，碳纖維復合材料的阻尼性能更好，若現實設計需要，還可以通過相應措施來增加阻尼系數。

2.3、安全性能好

碳纖維復合材料當中的機體能夠使其在受力情況下沿著纖維形變，各纖維的應變不會發生顯著改變，甚至基本相同，除了斷口位置的纖維無法發揮作用，其他大部分纖維依然能夠正常發揮作用。個別斷裂的纖維，并不會產生連鎖反應，同時也不會對其他纖維的功能發揮造成影響和破壞，具有良好的安全性能，能夠在運動過程中最大限度保護運動員安全。

2.4、抗疲勞性能好

相比于其他的材料結構，碳纖維復合材料具有較為穩定的結構。通過疲勞試驗可以發現，其強度在試驗過后仍能保留60%左右，但鋼材以及鋁材等材料，試驗過后卻僅能保留40%和30%，由此可見碳纖維復合材料的抗疲勞性能更好。因此，使用碳纖維復合材料制作體育器材，能夠有效延長其應用壽命。

2.5、質地輕盈

在很多體育運動項目當中，具體如高爾夫、網球、滑雪、撐桿跳等等，對于運動器材的要求都比較高，這些器材都需要依靠人力使其運動，所以其質量越輕，應用起來就越省力，運動效果自然也會隨之提升。當然，即便是機械帶動的器材，具體如摩托艇以及賽車等，也需要考慮自身重量要求。相比于其他類型的材料，碳纖維復合材料質地輕盈，具有著無可比擬的優勢，因此在當前的體育器材鑄造方面應用十分廣泛，能夠滿足人們對于運動器材輕質的需求。

3、CFRP 復合材料在不同運動器材中的實踐應用

相比于其他類型的材料，碳纖維復合材料質地、設計自由度高，且阻尼性能、安全性能和抗疲勞性能良好。因此，在當前的運動器材加工和制造中應用十分廣泛，具有十分優越的結構性能，應用效果顯著。具體如網球拍、高爾夫球桿、撐桿、弓箭、自行車等等，能夠滿足人們多樣化的運動需求，提高運動效果，具體內容闡述如下：

3.1、自行車

現代社會發展中，自行車作為一種重要的交通和運輸工具，在人們的日常生活中應用十分廣泛。與此同時，自行車還具有多種功能，具體如競賽、旅游、健身等等。對于高檔自行車而言，其對于結構部件要求往往較高，具體如座位支架、曲軸、車輪、車構架等等，碳纖維復合材料應用于實踐當中，不僅能夠對車體產生一定的美化作用，使其整體更加美觀，還能提高車體本身的剛度及減震性，降低車體總重量，提高汽車舒適度。現階段，碳纖復合材料也逐漸開始在比賽專用車中進行應用，能夠很好地滿足比賽要求，提高運動效果。

3.2、弓箭

對于射箭運動而言，射箭用具性能對比賽成績有著較大的影響，尤其是射箭用具的比彈性在其中發揮著決定性作用，應用碳纖維復合材料制作而成的弓箭是目前最好的弓箭之一，可承受的彎曲應力較大，同時也能賦予弓箭以良好的射程和速度。相比于金屬材料和玻璃鋼，碳纖維復合材料的抗疲勞性能良好，質地輕盈，能夠很好地延長弓箭的應用壽命，滿足射箭運動項目發展要求。

3.3、撐桿

在大型體育競賽當中，撐桿跳屬于常見運動項目，在早期階段，撐桿跳運動項目所使用的撐桿基本上都是由山核桃木制作而成，整體重量較大，同時也不具備良好的彈性，因而也會在很大程度上影響比賽選手的成績。隨著技術工藝的不斷發展，木質撐桿逐漸開始被竹竿所取代，相比于木質桿，竹竿的彈性較好，有助于能量轉化。進入20 世紀60 年代，在撐桿跳運動項目當中，運動員們逐漸開始對尼龍撐桿進行應用。隨著時間的推移，玻璃纖維桿逐漸開始取代尼龍撐桿，在經過了數次變革之后，現如今，無論是尼龍撐桿還是玻璃纖維撐桿，都逐漸開始被性能良好的碳纖維復合材料所取代。在對碳纖維復合材料進行應用的過程中，設計人員可以結合撐桿受力差異，對不同部位的材質進行選擇確保其整體性能最佳。全新研制的碳纖維材料撐桿，能夠確保撐桿結實而柔軟，不會發生扭結、斷裂等情況。與此同時，它也有利于運動員助跑，在短時間內實現能量轉化，在撐桿達到最大弧度之后，才能釋放出來部分彈性變形，轉化為運動員的勢能，幫助運動員順利地在空中躍起，跨過橫桿，取得優異的比賽成績。

3.4、高爾夫球桿

眾所周知，高爾夫球屬于一項高端運動項目，在參與這項運動的過程中，球桿是一切活動開展的基礎，而應用碳纖維復合材料制作球桿，則能夠減輕球桿的整體重量，通過動量守恒定理可知，當球桿頭重桿輕時，揮桿速度將會得到進一步的提升，這會使高爾夫球初速度顯著提升。除此之外，由于這種材料有著良好的阻尼性，能夠將擊球時間適當延長，所以高爾夫球會被擊得更高、更遠。

3.5、網球拍

在網球運動領域，網球拍一直都是該領域重點關注和改進的內容，隨著實踐研究的不斷加深，網球拍逐漸向著輕量化以及大型化的方向發展，因為大型設計，使得其制作材料必須要具備較高的比模量、比強度，且要求重量較輕，所以目前的高端網球拍，大多都應用了碳纖維復合材料，通過對這種材料進行應用，相比于木質球拍，能夠產生更好的網線拉力，確保在擊球過程中，不發生變形的情況。與此同時，由于碳纖維復合材料具有良好的阻尼性能，因而也能帶給運動員良好的舒適感，提高網球的初速度，幫助運動員取得良好的比賽成績。

4、CFRP 復合材料在運動器材中應用的注意事項

碳纖維復合材料在不同運動器材中應用十分廣泛，從某種角度上來看，也是我國體育運動事業不斷發展的重要表現，但是在對碳纖維復合材料進行應用的過程中，要想最大限度發揮其應用效果，還要明確相關注意事項和基本原則。具體內容闡述如下：

首先，在體育運動當中，運動器材的好壞，將會對體育運動水平產生直接影響，對于運動器材的生產制造而言，材料直接決定品質，同時也會對運動開展產生直接影響。在對運動器械進行選材的過程中，通過對碳纖維復合材料進行應用，能夠產生良好的應用效果。隨著其應用范圍的不斷擴大，在應用過程中，也要明確相關注意事項：第一，就是材料的選擇要與體育運動開展要求相符合；第二，在對碳纖維復合材料進行應用時，要重點凸顯材料自身優勢，具體如強度、柔韌性等等。此外，還要充分發揮其衛生清潔、舒適等優勢，以最大限度提高運動器材價值；第三，碳纖維復合材料的應用還要注重環保，拓展材料的應用范圍，推動運動器械制造朝著綠色、環保的方向發展；

其次，在體育運動器材制造中，對碳纖維復合材料進行應用，能夠對器材的鑄造材料進行豐富，同時也能有效提高運動競技水平。在現代化體育器材生產工作當中，碳纖維復合材料的應用十分廣泛。例如，在體育用品當中，對該材料進行應用，能夠對體育用品內涵和形式加以豐富，在研發和創新運動器材時，對碳纖維復合材料進行應用，能夠最大限度凸顯運動器材性能，根據碳纖維復合材料的優勢特征，可將其應用范圍擴展至運動器械的研發方面，以最大限度發揮其自身優勢；

最后，在現代化體育事業發展過程中，碳纖維復合材料的應用必不可少，其重要性也毋庸置疑。碳纖維復合材料的應用范圍，以運動器材生產和制造為主，隨著現代社會的不斷發展，體育運動體系日益完善和成熟，要想更好地滿足人們多樣化和個性化的體育運動需求，就要加強對體育運動器材的研發和設計，生產和制造出應用性能良好的運動器材。因此，在對碳纖維復合材料進行應用的過程中，不僅要能夠為現代化體育運動發展提供服務，同時還要重點考慮用戶對產品使用的舒適感和體驗感。從某種角度來看，用戶只有親自參與到運動當中，才能感受到運動器材的優越性能，實現對碳纖維復合材料的高效利用。除此之外，隨著現代化體育事業的不斷發展，在對碳纖維復合材料進行應用時，還要通過多種方式，積極應用各種現代化先進技術，促進其性能的全面優化，以最大限度提高其應用效果。

5、結語

綜上所述，本文首先對碳纖維復合材料的發展歷程進行簡要概述，其次分析了該材料應用于運動器材的結構性能和價值，最后對具體應用途徑和注意事項進行探究。總之，隨著現代科技的不斷發展以及體育事業的蓬勃發展，也對體育器材加工和制造提出更高要求，通過對碳纖維復合材料進行應用，能夠對體育運動器材內涵加以豐富，為用戶帶來更加舒適的運動體驗。現階段，碳纖維復合材料在不同運動器材中應用十分廣泛，結構性能十分優越，具體如自行車、弓箭、撐桿、高爾夫球桿、網球拍等等，能夠滿足用戶的個性化和多樣化運動需求，幫助運動員取得優越成績。隨著碳纖維復合材料應用范圍的不斷拓展，在今后應用過程中，也要對相關注意事項加以明確。只有這樣，才能最大限度發揮其應用效果，促進我國體育運動事業的不斷發展。