现代体育器械的重要材料

杨磊

摘要：“更快、更高、更强”是奥林匹克的格言，也是现代体育事业的发展方向，体育事业的不断进步与发展对体育器械也提出了更高层面的要求。体育器械的好坏直接影响体育的竞技水平，而体育器械所用的材料直接关系到器材的使用效果，基于此，本文就以炭纤维复合材料为研究对象，探讨炭纤维复合材料在现代体育器械上的应用。

关键词：炭纤维;复合材料;体育器械

中国分类号：TQ050.4⁺3文獻标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0085-04

炭纤维复合材料产生于20世纪50年代初，发展至今已广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。炭纤维复合材料应用于体育器械，有着不可小觑的应用价值，不仅实现了体育器械的换代更新，而且在很大程度上促进了体育项目的完善与发展，有力推动体育事业的不断前进。

1 炭纤维复合材料概念

炭纤维复合材料是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，炭含量高于90%的无机高性能纤维，这种新材料在力学上具有着优异的性能，不仅有着炭材料的固有性能，而且兼具纺织纤维柔软和可加工的特性，是一种新型的增强纤维。

2 炭纤维复合材料运用在体育器械上的优势

以往的体育器械主要以金属、木质材料为主，而炭纤维复合材料在体育器械上的应用有着传统器械不可匹及的优势。

2.1质量轻盈

将炭纤维密度与金属密度进行比较，可发现炭纤维密度是1.76-1.80g/cm³，炭纤维复合材料密度是1.50～1.60g/cm³，而钢材密度约7.87g/cm³，钛密度4.5g/cm³，很明显，炭纤维复合材料在重量上要比金属材料轻得多。轻便的体育器材有利于使用者更好地进行运动，发挥水平，因此利用炭纤维复合材料质轻的优点可以为使用者带来良好的运动体验。

2.2比强度、比模量高

炭纤维复合材料的比强度和比模量分别是钢材的7-12倍和3～5倍，梧桐木的3.4倍和4.4倍，高比强度和高比模量可以用来制作轻而刚的运动器械。以上图表中为几种常见材料的力学性能比较。

2.3耐疲劳

炭纤维具有稳定的结构，炭纤维复合材料在经过百万次的疲劳试验之后，它的强度依旧可以保留在60%左右，而钢材的强度保留率在40%，铝材在30%。炭纤维复合材料具有强大的抗疲劳能力，可以在很大程度上延长体育器械的使用寿命。

2.4低热膨胀系数

在正常室温下，炭纤维复合材料的热膨胀系数近乎为负值;在200-400℃的时候，它的热膨胀系数为0;在温度低于1000℃时，热膨胀系数是1.5x10⁶K。

2.5破损安全性能高

在断裂的炭纤维复合材料中，在基体作用下，除了断裂口不产生作用之外，剩下的大部分炭纤维依旧可以发挥其作用，小部分纤维的断裂不会能影响整体的破坏，因此，炭纤维复合材料运用于体育器械中具有较高的破损安全性。

2.6阻尼大

炭纤维复合材料的聚合物有粘弹性和摩擦力，发生振动的时候，粘弹性和摩擦力可以实部分动能转为热能。因此，炭纤维复合材料比钢、钛合金的阻尼要大。

2.7设计自由

各向异性是炭纤维复合材料的一个重要特征，通过改变纤维的铺叠方向和铺叠方式，使某个方向或某个局部的受力情况增强，因此，炭纤维复合材料的运用在器械的设计上更加自由，最大程度地发挥体育器械的使用效果。

2.8其他方面

体育器械的研发不仅要考虑自生身性能，性价比与卫生问题也要纳入考虑的范围。炭纤维复合材料的体育器械卫生性强，一般可以进行回收，重复利用，而且复合材料的原材料价格较低，极大降低制作成本，有利于炭纤维复合材料器械产品的推广与普及。

3炭纤维复合材料在体育器械上的成型技术

3.1缠绕技术

缠绕成型技术分为干法缠绕（如下图）和湿法缠绕，把碳纤维预浸料均匀、有规律地缠绕在缠绕机芯模上，进行固化以后，去除芯模获得制品。缠绕成型技术比较适用于简单的旋转体和非旋转体的制造，可以根据制品的受力情况将纤维按规律排布，充分利用纤维的强度特性，从而制成质量轻且强固的制品。

3.2模压技术

模压成型的模分为阳模和阴模两部分，将连续、短切纤维毡和织物作为增强材料。模压技术制作出来的制品不仅表面光洁而且尺寸精准，生产效率也很高，因此模压成型技术特别适于高精度制品的大批量制作。

3.3RTM技术

RTM（树脂传递模塑）是一种常见的复合材料成型技术，RTM技术不需要胶衣树脂便能制出光滑的双表面，可以制造出高精度、高纤维含量的高质量复杂复合材料。RTM成型中有害气体与物质挥发较少，有利于维持良好的生产环境，保证劳动者的健康安全。目前，自行车与划艇的主体部分的批量生产多是利用RTM成型技术。

3.4拉挤技术

拉挤成型技术是利用外力将带状织物或者纤维束经过浸胶、挤压、固化、定长切割之后而制成的线型制品。拉挤成型技术效率高且工艺简单，应用于炭纤维复合材料的体育器械的制作是非常理想的。

4 炭纤维复合材料在现代体育器械上的应用实例

4.1高尔夫球杆

早起期的高尔夫球杆棒头采用较为沉重的柿木，但由于柿木较重不利于运动员随意掌控和发挥。20世纪30年代美国的标准高尔夫球杆是杠杆，直到1972年，美国利用缠绕法把炭纤维增强复合材料制成了黑杆，淘汰了以往的高尔夫球杆。由于炭纤维的可塑性，黑杆在设计上可实现更大维度，使球在飞行中更加稳定。随着炭纤维复合材料的不断研发，也对高尔夫球杆进行着不断的完善，增加球杆的使用寿命，令球杆在性能上更加稳定，使使用者完美发挥球技，将炭纤维复合材料有着广阔的市场前景。

4.2撑杆

撑杆跳高是一项重要的奥运会比赛项目，早期的撑杆主要材料是山胡核桃木，尽管此材料的撑杆很结实，但是沉重、储能差、弹性低等缺陷极大影响了运动员正常水平的发挥。撑杆经历了由山胡核桃木→竹竿→尼龙撑杆→玻璃纤维杆再到如今的炭纤维撑杆，炭纤维撑杆在硬度上不仅柔韧而且扭结不会断裂，可以把运动员持竿助跑的动能转化为撑竿的弹性变形能，在撑竿被压到最大弧度的时候，弹性变形能就会再次释放出来，从而成为运动员的势能，帮助运动员实现腾空跃起，飞越横杆。

4.3滑雪板

近年来，滑雪运动受到了广泛关注，越来越多的人加入了滑雪运动中。滑雪板作为滑雪运动的关键器材，不仅对滑雪者的滑雪成绩有重要影响，对使用者的安全也有着密不可分的关系。现今市面上性能较好的滑雪板一般是由玻璃纤维等复合材料制作而成，比以往的木质、金属滑雪板质量上更轻、减震性能更高、使用寿命更长，也在很大程度上保证了运动员的滑雪安全。

4.4网球拍

网球拍是一种较为常见的运动器材，当前市场中、高档的网球拍基本都是利用炭纤维复合材料来制作的（详见网球拍轴向剖视图）。利用炭纤维复合材料制成的球拍具有良好的减震功能，延展性好，可塑性强。在大型网球拍的制作上，相比于过去的木制网球拍，同样重量之下，炭纤维复合材料制成的球拍面积可扩大越1.5倍，网线张力提升越20%-45%。由于炭纤维复合材料阻尼大，因此不容易起振，起振后也容易停振，提升运动员在打球时手部的舒适度。

4.5自行车

随着社会的发展，自行车不再仅是一种交通工具，更成为一种健身、竞赛器材，因此需要对自行车材质进行改良，满足人们的不同需求。炭纤维复合材料制成的高档自行车，不仅使自行车的美感增加，也可以完善自行车的刚性和减震性能，降低车体重量，增强骑乘舒适度。

4.6射箭

在射箭运动中，弓臂、瞄准器及稳定器都可以用炭纤维复合材料制作而成。利用炭纤维复合材料制作的弓臂不仅在重量上更加轻盈，而且加强了弓臂的弯曲模量和强度，对运动员施加的最大弯曲应力可以有效承受。炭纤维复合材料还可以用来制作箭杆，相比以往的竹子箭杆、玻璃钢箭杆、铝合金箭杆具有较好的比强度和比模量，也可以很好地提高箭杆的初速度和命中率。

此外，炭纤维符合材料还应用于冰球棒、游艇、赛艇、帆船桅杆、登山用品、滑翔机、垒球、钓鱼竿等诸多体育用品方面，是当代体育器械的重要材料。

5 结语

综上所述，炭纤维复合材料是体育器械的一种重要材料，在体育器械中有着极高的应用价值。随着科技的发展與成熟，体育器械也需要与时俱进，充分利用高科技炭纤维复合材料来优化器械的应用体验，这不仅满足了现代竞技体育的发展要求，也推动了全民体育活动的高质量开展，为体育事业的长远发展提供了有效支撑。