楊磊

摘要：由于我國經(jīng)濟(jì)得到了長足的發(fā)展，物質(zhì)需求得到了極大的改善，已經(jīng)基本滿足人們的生存需要。因此，當(dāng)前人們的追求不再是基本的溫飽，而更多的是對一種高質(zhì)量、健康的生活的追求。而在健康的生活的追求上，運(yùn)動是高質(zhì)量生活的重要組成部分。人們對于運(yùn)動的重視程度以及需求程度越來越高。這一核心原因?qū)е铝梭w育器材這一運(yùn)動領(lǐng)域中的分支也得到了很大的發(fā)展。尤其是在競技體育中，要想實(shí)現(xiàn)更高、更快、更強(qiáng)，除了人自身素質(zhì)和能力的提高，包括體育器材在內(nèi)的運(yùn)動相關(guān)科學(xué)技術(shù)也起到了關(guān)鍵的作用。高科技技術(shù)下的纖維復(fù)合材料由于其重量輕，強(qiáng)度高等顯著特點(diǎn)，在體育器材中得到了廣泛的使用。本文針對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，闡述了纖維復(fù)合材料常用的典型種類，分析了纖維復(fù)合材料在體育器材中應(yīng)用的優(yōu)勢以及當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;體育;體育器材

中圖分類號：TQ340.42文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0136-03

引言

由于改革開放，我國經(jīng)濟(jì)、科技等各方面都得到了長足的進(jìn)步。人們的溫飽這一基礎(chǔ)的生存物質(zhì)需求已經(jīng)基本得到了滿足?，F(xiàn)在人們追求的是更好、更健康的生活。這一追求的轉(zhuǎn)變，直接促進(jìn)了運(yùn)動領(lǐng)域的飛速發(fā)展。由對健康的重視，促進(jìn)了運(yùn)動領(lǐng)域的發(fā)展;運(yùn)動領(lǐng)域的發(fā)展，又導(dǎo)致相關(guān)的運(yùn)動器材等細(xì)分領(lǐng)域的茁壯成長。此外，如奧運(yùn)會等高水平的競技體育已經(jīng)成為一個(gè)國家展示綜合國力的重要途徑。因此，與運(yùn)動健康相關(guān)，尤其是與競技體育相關(guān)的體育器材類產(chǎn)業(yè)得到了驚人的發(fā)展。一方面，大規(guī)模的高質(zhì)量體育器材有助于安全可靠的全民運(yùn)動的開展;而在競技體育領(lǐng)域，作為除了個(gè)人體質(zhì)、專業(yè)技能訓(xùn)練之外最為重要的促進(jìn)體育競技水平提高的因素，先進(jìn)的體育器材能夠顯著提高某項(xiàng)運(yùn)動的綜合成績。想要在某項(xiàng)運(yùn)動中確保安全，或?qū)崿F(xiàn)更高、更快、更強(qiáng)的目標(biāo)，有必要持續(xù)對相關(guān)的體育器材進(jìn)行升級換代。而體育器材的眾多影響因素中，其材質(zhì)是最為基礎(chǔ)也是最為重要的影響因素之一。在眾多材質(zhì)中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于顯著的質(zhì)量輕，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在體育器材中得到了最大范圍的應(yīng)用，并且仍舊處在不斷的研究與改進(jìn)中，是可見的體育器材材質(zhì)應(yīng)用的一種潮流與趨勢。

1在體育器材中應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的長處

1.1質(zhì)量輕

除了例如舉重之類的對于器材的質(zhì)量有特殊要求的運(yùn)動，絕大多數(shù)的運(yùn)動對于器材的質(zhì)量要求都是越輕越好。器材質(zhì)量越輕，運(yùn)動人員越能夠發(fā)揮出更好的運(yùn)動水平。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的運(yùn)動都是依靠人力或機(jī)械、自然動力驅(qū)使，而這些運(yùn)動大多追求的都是速度、距離等，而質(zhì)量對于這些目標(biāo)都起到的是阻礙性副作用。因此，大多數(shù)體育運(yùn)動對于器材的要求是質(zhì)量越輕越好。傳統(tǒng)的體育器材的材質(zhì)大多數(shù)是金屬、木材、竹子等，而相比于這些，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著相同體積密度小、質(zhì)量輕的顯著優(yōu)勢。例如相比于傳統(tǒng)的金屬高爾夫球桿，相同性能參數(shù)的碳纖維材質(zhì)球桿的質(zhì)量只有金屬的50%甚至更低，質(zhì)量明顯輕于金屬球桿。

1.2機(jī)械性能優(yōu)異

作為體育運(yùn)動的直接輔助手段，所有的體育器材都要求有一定的強(qiáng)度、韌性等方面的要求，一些項(xiàng)目甚至器材的相關(guān)機(jī)械性能的好壞直接決定了運(yùn)動人員的成績。最為典型的實(shí)例就是撐桿跳。對于撐桿跳這一運(yùn)動，桿的性能對于運(yùn)動員的成績起到了決定性的作用。在桿的長度等方面有限制的情況下，桿的強(qiáng)度、韌性以及抗震能力等機(jī)械性能的好壞又是決定桿質(zhì)量高低的關(guān)鍵因素。撐桿的材料經(jīng)歷了木桿、竹桿、金屬桿、到如今的纖維材質(zhì)桿。由于纖維復(fù)合材質(zhì)具有優(yōu)越的強(qiáng)度高、韌性好等特質(zhì)，纖維復(fù)合材質(zhì)的桿的使用，使得撐桿跳的成績相比于從前有了顯著的提升。

1.3可設(shè)計(jì)性、可制造性優(yōu)異.經(jīng)濟(jì)環(huán)保

纖維復(fù)合材質(zhì)由于屬于人工合成材料，其生產(chǎn)工藝能夠隨著人們對于體育器材的要求的發(fā)展而進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，不像其他天然材料受到其本質(zhì)性能的影響，設(shè)計(jì)加工都存在著一定的局限性。并且隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，纖維復(fù)合材質(zhì)的設(shè)計(jì)、加工成形會越來越便利。因此，由于纖維復(fù)合材質(zhì)優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性和可制造性，纖維材質(zhì)的器材的生產(chǎn)以及使用中的維護(hù)可以隨著各種特殊的需求而改進(jìn)。此外，隨著大規(guī)模批量化生產(chǎn)工藝的實(shí)現(xiàn)，對于大眾性質(zhì)的纖維復(fù)合材質(zhì)器材的生存加工及維護(hù)成本相比于采用傳統(tǒng)天然材質(zhì)來說要低，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越。最后，纖維復(fù)合材質(zhì)大多屬于環(huán)保類，并且對于一些例如熱塑性復(fù)合材質(zhì)為主體的體育器材具有優(yōu)良的回收再利用特性。綜上所述，纖維復(fù)合材質(zhì)的體育器材在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性等方面有著優(yōu)異的特性。

2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的典型種類

2.1無機(jī)纖維類

在龐大的纖維復(fù)合材質(zhì)族群中，其中重要的組成部分辨識無機(jī)纖維類。無機(jī)纖維又可分為玻璃纖維、碳纖維、硼纖維以及碳化硅纖維等。

玻璃纖維應(yīng)用較早，也是應(yīng)用廣泛的纖維復(fù)合材質(zhì)之一。傳統(tǒng)的玻璃材質(zhì)雖然容易碎，但是當(dāng)玻璃被一定的工藝抽成直徑以微米為衡量單位的玻璃絲狀物時(shí)，卻具備了很高的強(qiáng)度以及韌性。玻璃纖維單絲配合樹脂等介質(zhì)，幾百上千根單絲形成纖維原絲，而后通過一定的工藝形成體育器材，這一材質(zhì)的體育器材具有顯著的強(qiáng)度大、彈性模量大，穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性。因此，玻璃纖維在體育器材領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。美國的歐文斯科寧以及中國的巨石玻纖都是主流的玻璃纖維生產(chǎn)廠家。

碳纖維也是當(dāng)前最受關(guān)注、應(yīng)用最為廣泛的纖維復(fù)合材質(zhì)之一。碳纖維是通過瀝青等基材通過一系列的處理工藝形成的具有85%以上含碳量的纖維材質(zhì)。碳纖維之所以能廣泛應(yīng)用，其最根本的原因就是其擁有極其優(yōu)異的性能。首先，碳纖維材質(zhì)的比重比金屬鋁輕，僅僅是鋼材質(zhì)的25%，但是他的比強(qiáng)度卻能達(dá)到鐵的幾十倍。且它的耐熱性能優(yōu)異，化學(xué)穩(wěn)定性能優(yōu)異。因此，碳纖維的研究與生產(chǎn)得到了全世界的重視，其中日本、美國的投入與研究最多，特別是在棒球棒的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

硼纖維是一種重要的技術(shù)含量很高的纖維之一。硼纖維主要是以石英等為芯材，通過氣相沉積方法制得。硼纖維的特性就是強(qiáng)度高、彈性模量高，主要用于增強(qiáng)樹脂和金屬類材質(zhì)。例如，硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂就是用來生產(chǎn)高強(qiáng)度的體育器材的最為合適的材料之一。

碳化硅纖維是一種耐熱性極其優(yōu)異的材質(zhì)，能夠承受上千度的高溫，再加上纖維材質(zhì)的高強(qiáng)度、高韌性的特質(zhì)，碳化硅纖維在一些抗沖擊要求高的體育器材中應(yīng)用廣泛。

2.2高強(qiáng)高模合成纖維

高強(qiáng)高模合成纖維是除無機(jī)纖維以為的又一大類的新興纖維復(fù)合材質(zhì)，主要分為芳香族聚酰胺纖維、超高模量聚乙烯纖維以及混雜纖維三種。

芳香族聚酰胺纖維主要通過溶液法進(jìn)行制得，除了纖維材質(zhì)所具有的強(qiáng)度高、韌性好、穩(wěn)定性高等特質(zhì)，其彈性模量能夠達(dá)到玻璃纖維的兩倍，是一種技術(shù)含量很高的纖維材質(zhì)，其生產(chǎn)性價(jià)比很高。

超高模量聚乙烯纖維與其他纖維材質(zhì)相比，其綜合機(jī)械性能都有顯著的提升，強(qiáng)度更高、韌性更好、穩(wěn)定性更高等，但是其生產(chǎn)加工要求比較高。因此，這一纖維材質(zhì)在一些重要的核心領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

混雜纖維顧名思義就是將兩種或以上的纖維進(jìn)行混合而形成的材質(zhì)，能夠具備兩種纖維的特性，綜合性能優(yōu)異。此纖維的另一個(gè)優(yōu)勢就是能夠通過混雜技術(shù)，使得纖維具備獨(dú)特的性能，一方面是獲得單一的纖維種類無法具備的特性，一方面也能通過成本低的纖維來實(shí)現(xiàn)對成本高的纖維的取代，提升纖維材質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性。

3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材領(lǐng)域的應(yīng)用情況

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材質(zhì)有著傳統(tǒng)材質(zhì)難以比擬的綜合性能，再加上纖維生產(chǎn)工藝的提升，生產(chǎn)成本的降低等原因，纖維增強(qiáng)復(fù)合材質(zhì)已經(jīng)在航空航天、交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而由于體育運(yùn)動受到的關(guān)注越來越多，纖維增強(qiáng)復(fù)合材質(zhì)在體育器材領(lǐng)域也得到了全面而深入的應(yīng)用。國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)都在加大對纖維復(fù)合材質(zhì)在體育器材領(lǐng)域應(yīng)用的研究與投入。以下將對部分典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1碳纖維材質(zhì)在自行車領(lǐng)域的應(yīng)用

早在上世紀(jì)八九十年代，西方國家就已經(jīng)開始將碳纖維復(fù)合材質(zhì)應(yīng)用到自行車車架的設(shè)計(jì)和制造當(dāng)中。這一碳纖維材質(zhì)所制成的自行車，其強(qiáng)度可以達(dá)到傳統(tǒng)金屬材質(zhì)的幾倍，但是其質(zhì)量卻較傳統(tǒng)金屬材質(zhì)自行車能夠輕不少。因此，這一技術(shù)一經(jīng)推出，就得到的廣泛的關(guān)注與追捧。碳纖維所制成的自行車迅速取代了自行車競賽中傳統(tǒng)的金屬自行車，也大大提高了自行車競賽的成績水平。當(dāng)前，對于大規(guī)模批量生產(chǎn)，主要采用的是樹脂傳遞模塑的生產(chǎn)工藝。

3.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材質(zhì)在羽毛球拍和網(wǎng)球拍中的應(yīng)用

日本在上世紀(jì)70年代就有了使用碳纖維材質(zhì)制造羽毛球桿的案例。而美國則是開啟了使用纖維增強(qiáng)樹脂材質(zhì)進(jìn)行網(wǎng)球拍制作的先河。相比于傳統(tǒng)的球拍材質(zhì)，采用纖維復(fù)合材質(zhì)所制成的羽毛球拍和網(wǎng)球拍，首先第一個(gè)好處就是質(zhì)量輕，有利于運(yùn)動人員的擺臂發(fā)力。其次，纖維復(fù)合材質(zhì)優(yōu)異的延展性等機(jī)械性能，能夠保證球拍能夠經(jīng)受長時(shí)間的使用，且有利于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動人員的技術(shù)水平。此外，纖維復(fù)合材質(zhì)有著優(yōu)異的減振特性，從而使得球拍的使用過程中，運(yùn)動人員能夠感受到較小的振動沖擊效應(yīng)，手感更為舒服。

3.3纖維復(fù)合材質(zhì)在賽艇運(yùn)動中的應(yīng)用

眾所周知，賽艇這一追求速度的運(yùn)動，對于賽艇的性能有著嚴(yán)苛的要求。以前由于傳統(tǒng)的賽艇材質(zhì)的限制，賽艇顯得又笨重，流水阻力又大。針對賽艇運(yùn)動要求賽艇質(zhì)量輕，強(qiáng)度要高防止被水流沖毀，流線型形狀穩(wěn)定性要強(qiáng)，防止賽艇變形增大流水阻力這些嚴(yán)苛的要求，當(dāng)前最為主流的賽艇制造工藝就是采用混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材質(zhì)作為賽艇的主用材質(zhì)。通過利用混雜纖維的高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性以及低密度等單一纖維無法具備的優(yōu)異的綜合性能，完美的解決了賽艇運(yùn)動對于賽艇的嚴(yán)苛要求。這一創(chuàng)新性舉措早在上個(gè)世紀(jì)七十年代就由西方國家?guī)恚衲陙砦覈嚓P(guān)企業(yè)在此領(lǐng)域也得到了長足的進(jìn)步，取得了不俗的成績。

4總結(jié)

隨著人們對于健康生活的追求，運(yùn)動越來越受到全民的關(guān)注與參與。相應(yīng)的體育器材也得到了長足的發(fā)展，并且未來發(fā)展的空間巨大。為了滿足廣大用戶的運(yùn)動需求，以及競技體育的高水平要求，纖維增強(qiáng)復(fù)合材質(zhì)以其密度低、強(qiáng)度高，韌性好，穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性，在體育器材領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究，并且還有著不斷擴(kuò)展和深入的應(yīng)用趨勢，值得我們投入更多的成本與精力進(jìn)行研究。