碳纤维在幼儿园体育器材方面的发展前景

朱凯利

摘要：随着教育体制的改革，许多学校开始重视体育教育。因此，需要格外注重体育器材的选择。高质量的体育器材不仅可以帮助学生更好的进行体育运动，而且还可以提升学生的成绩。在体育器材的设计方面，要应用多方面的原理与技术，例如力学原理、机械设计学以及材料科学等，其中碳纤维的使用促进了体育器材的发展。碳纤维是一种新型的纤维材料，相比较于传统的纤维材料，它具有强度高、韧性好、弹性强等优点。在体育器材的设计过程中使用碳纤维，可以让体育器材质量更好，由此碳纤维在体育器材的设计方面得到了广泛的应用。

关键词：碳纤维;幼儿园;体育器材;前景;

中国分类号：TQ050.4⁺3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0089-03

对于幼儿园来说，体育运动也是幼儿健康教育的重要部分。科学合理的体育运动不仅有利于幼儿身体健康发展，而且还有利于提升幼儿教学质量。体育运动具有鲜明的特点，运动量比较大，而且大多数体育运动离不开体育器材。因此，研究碳纤维应用于幼儿体育器材中是非常有意义的。

1 碳纤维材料应用于在体育器材的实例

相比较于传统纤维材料，碳纤维符合材料具有强度高、模量高等特点，用碳纤维材料做成的体育器材不仅重量小而且刚度大，因此，应用碳纤维材料，可以提升体育器材的品质，进而提升体育成绩。

1.1撑竿

撑杆跳高是奥运会的正式比赛项目。以前的撑杆的材质是山胡桃木，虽然非常结实，但是也有弹性不足、过于沉重的缺点。由山胡桃木制成的撑杆储存动能不足，导致运动员的最优成绩只有3.3m，严重埋没了运动员的实力。后来竹竿代替了木质撑杆，竹竿内部中空的特点增加了弹性，有利于实现能量转化。19世纪60年代以后，尼龙撑杆开始被广泛使用。但是没过多久，玻璃纤维杆取代了尼龙撑杆。但是目前，碳纤维材料开始应用到撑杆中，取代了玻璃纤维杆，碳纤维材料具有更加优越的性能，不仅大大增强了撑杆的柔韧度，而且还没非常结实，不会出现断裂的现象。碳纤维撑杆可以将运动员助跑时候的动能转化为杆自身的能量，最后再转变为势能，帮助运动员跳的更高。

1.2高尔夫球杆

19世纪30年代，美国的高尔夫球杆的材质是钢，非常沉重。到了1972年，美国将高尔夫球杆的材质变成碳纤维材料。1998年，碳纤维材质的高尔夫球杆开始被广泛使用。碳纤维材质的高尔夫球杆具有轻便的特点，方便人们挥杆，这样会使高尔夫球运行更远的距离。此外，碳纤维具有高阻尼的特性，可以增加击球时间，球会飞行的更远。

1.3自行车

随着社会经济的快速发展，自行车的功能逐渐增多，除了具有交通功能以外，还具有健身、竞赛以及旅游等功能。目前，市场上高档自行车的材质均为碳纤维材料。碳纤维材料在自行车上的使用，不仅改善了自行车的外观，让其更具审美，而且让自行车的性能更加优良，减轻重量，优化减震效果。

1.4网球拍

网球也是非常受欢迎的运动项目之一，因此网球拍的性能就成为了人们关注的重点。现阶段，全世界范围内高档的网球拍都是碳纤维材质的。用碳纤维材质制成的网球拍具有重量轻、韧性强、受力范围更大等特点，这样网球拍就不容易变形，更加耐用。同时，碳纤维材料还具有减震、抗阻的效果，让网球获得了更大的初速度，进而可以让网球运行的距离更远。

1.5弓箭

在射箭比赛中，为了更好的提高射箭成绩，一个有效的方法就是提高弓箭的性能。如果弓箭具有更好的弹性，那么射箭成绩就会相应提高。目前，全世界范围内最好的弓箭就是用碳纤维材质制成的。碳纤维材料制成的弓可以承受更大的弯曲力和拉力，可以让箭获得最大的初始速度，进而提高射程。相比较于传统的金属材料，碳纤维材料具有更强的耐受力和生命力，因此大大增加了弓箭的使用寿命。

2 碳纤维选用的材料及结构

2.1无机纤维

无机纤维的种类有四种，分别是玻璃纤维、碳纤维、硼纤维以及碳化硅纤维。玻璃纤维由于开发时间最早，现在已经被广泛使用。玻璃纤维具有刚度强、延展性好、冲击力强等特点。碳纤维具有比强度高、比模量高及耐热性好等特点，但同时碳纤维的粘附力低，需要人们在使用时做表面处理。硼纤维具有高强度、高模量等特点，它主要有金属和增强树脂构成，具有十分优良的性能。碳化硅纤维不仅具有耐热性好、拉力强、比模量高等特点，而且它抗压性和耐磨性比较强。

2.2高强高模介成纤维

高强度模介成纤维的种类有三种，分别是聚酸胺纤维、聚乙烯纤维、混杂纤维。聚酸胺纤维的粘性比较强，如果与树脂进行结合就会制作出特殊的产品，聚酸胺纤维的密度相对来说比较低，而且具有耐热、强度高的特点。因此如果使用聚酸胺纤维制作体育器械，就会得到拉伸强度好的体育器械。聚乙烯纤维也是常见的一种纤维，它具有密度低、强度高、稳定性好等优点，但是聚乙烯纤维也有缺点，那就是粘性非常差，必须要对其进行表面处理才能使用。混杂纤维故名思议就是两种短纤维或两种长丝混杂，或者是纤维和树脂进行复介。混杂纤维因为结构复杂，因此可以满足不同种类的生产需要。

2.3织物结构

织物结构也是一种常见的材料。纤维材料经常会出现缠绕的现象，但是织物结构就不会出现这样的现象，这是因为其本身特殊的结构所导致的。因此，织物结构可以运用于不同的生产领域中，可以生产出大小不一、种类不同等产品，更好的满足市场需求。此外，由织物结构制作产品的过程十分简便，给工人减轻了工作量。

2.4基体树脂

基体树脂的种类重要有三种，分别是环氧树脂、热塑性树脂以及小饱和树脂。在这三类中用途最广的就是小飽和树脂，小饱和树脂具有透明、韧性好等优点，但是其缺点就是不耐光。此外，小饱和树脂稳定性比较强，具有耐腐蚀性和耐酸性，但是固化以后不耐热，容易燃烧。相对比于其他材料，小饱和树脂物美价廉，取材容易，因为它的应用十分广泛。环氧树脂具有粘性好的优点，但是固化以后韧性低、硬度低，导致容易出现断裂等现象，需要人们采用相应的措施进行处理，加入相应的材料，提高产品的韧性。热塑性树脂主要应用于体育器材行业，例如尼龙、聚碳酸等。

3 碳纤维复材用于幼儿园体育器材方面的发展前景

3.1质量轻

未来碳纤维材料的应用于幼儿园体育器材，将会使体育器材的质量更加轻便。现阶段，人们比较喜爱的体育运动有滑雪、赛车、网球、高尔夫及划船等，这些体育运动离不开体育器材的使用。对于人们来说，体育器材的质量越轻越好，这样更有利于人们发挥出更好的成绩。因此，人们希望有更轻便的材料制作体育器材。碳纤维材料质量轻，密度低，比其他材料轻很多。所以碳纤维材料应用于体育器材十分具有前景。

3.2热膨胀系数小

相比较于金属材料，碳纤维的热膨胀系数小。当温度达到200℃以上的高温时，碳纤维材料的热膨胀系数为0，在室温情况时，其热膨胀系数为负值，当温度降到-1000℃时，膨胀系数为1.5×10曲K。由此可以看出，碳纤维材料在常温下不会出现变形的情况，及时在条件恶劣的温度环境中，也能保持非常稳定。因此，将碳纤维材料应用于体育器材中，可以让体育器材更加稳定。

3.3高比強度和高比模量

根据研究显示，单位质量内碳纤维的强度是杉木的4倍，是梧桐木的3.4倍，是刚才的8倍多;而单位质量内碳纤维的模量是杉木的3倍，是梧桐木4.4倍，是钢材的4倍。因此，碳纤维材料具有绝对的优势。如果将碳纤维材料应用于体育器材，可以让体育器材硬度更加高。所以碳纤维材料在体育器材的应用具有非常好的发展前景。

3.4疲劳强度大

相比较于其他材料，碳纤维具有十分稳定的结构。曾经做过一项实验，将由碳纤维材料制成产品和由钢材制成的产品分别进行抗疲劳实验，然后进行结构对比，发现由碳纤维材料制成的产品具有更强的抗疲劳强度，强度保留的高。这就意味着，如果体育器材的制作使用碳纤维材料，可以延长体育器材的使用寿命。

3.5破损安全性能好

相比较于其他材料，碳纤维材料具有更稳定的安全性能。因为碳纤维结构具有特殊的基体，该基体可以让纤维具有更强的拉力。此外，如果其中一处出现锻炼，其余部分的纤维还能够保挣性能，也就是说个别纤维出现问题就不会造成整体纤维的破坏，因此碳纤维材料具有十分安全的性能。体育器材的制作如果采用碳纤维材料，就会更具有安全性，不容易出现安全事故。

3.6设计自由度大

随着我国复合型材料的发展，让产品设计自由度显著提高。纤维复合材料具有十分明显的特点，那就是各向异性。把纤维的方向改变，例如加强或者减弱某一个受力情况，就可以达到自由设计的效果。对于运动员来说，每个运动员的体能、身高、性别还有技艺各不相同，因此设计不同种类的体育器材是十分重要的。一个合适的体育器材不仅可以让运动员更加舒适，而且还可以最大可能的提高运动员的成绩。但是普通金属材料却达不到这样的要求。因此，碳纤维材料运用于体育器材，有利于体育器材行业的快速发展。

3.7阻尼性能好

相比较于其他材料，碳纤维材料具有非常好的粘性，并且阻尼性能比较好。碳纤维因为其特殊的结构，在断裂的地方还有摩擦力。因此，由碳纤维材料制作成的产品在使用的过程中，会有一部分摩擦力转换成热能。所以碳纤维材料的阻尼性能好，比其他材料更适合用于体育器材的制作。

4 结语

综上所述，随着人们对体育运动重视程度的逐渐加深，人们开始关注体育器材的质量。相比较于传统材料，碳纤维材料具有非常好的优点，例如密度低、硬度大、韧性好、耐高温等特点。将碳纤维材料应用于体育器材的制作中具有非常好的发展前景。对于幼儿园来说，开展体育运动也是十分有必要的，而好的体育器材不仅可以帮助幼儿增强体质，而且让幼儿使用的更加舒适、提高教学效果和质量。而如何更好的在体育器材中应用碳纤维材料，还需要更多的研究。