塑料复合材料在体育设施和健身器材中的应用

张馨娇 范娜

摘要：在近几年中，塑料复合材料因其性能轻量而备受体育器材行业的欢迎，其主要应用于制造球棒·自行车·攀岩器材·赛艇·冰球棒等领域，本文主要对工程塑料·复合材料两种典型塑料材料进行阐述，并进行力学性能和耐腐蚀性能测试。

关键词：塑料复合材料·体育设施·健身器材

中图分类号：TQ322.2 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）10-0089-05

隨着人们生活水平的提高，人们对于健康问题也不断的引起的高度重视。一旦有空闲时间，人们就会在健身房或其他的体育场所进行锻炼，所谓身体是革命的本钱，好的身体才会有好的未来，从而导致了体育器材行业的快速发展。在建设体育场所时所需的器材量也不断增加，以往的体育器材大都采用的普碳钢为主，其主要代表的体育器材材料型号为Q235A和Q195，然而普碳钢一旦沾水，就会腐蚀，又经太阳的光照，器材的寿命便大大的打了折扣，有时又因人员维修的不及时，便会给人群造成一定得安全隐患，基于这些问题，塑料复合材料便孕育而生，其中具有代表性的便是碳纤维和玻璃纤维，但由于人群对于这种新型的体育材料并不熟悉，所以便对其整个的消费能力有了一定得负影响，但塑料复合材料的质量和工艺在国际上是被认可的，就相对于传统的体育器材而言，它的磨损的能力是远大于传统的体育器材，而且其寿命也较长，当然这也导致了其生产的工艺比较的复杂，产量小而且价格贵，但从长远来计算的话，其所产生的经济效益是相当的可观。下文主要对工程塑料和复合材料两种具有代表性的材料进行阐述，并对其进行力学性能和耐腐蚀性能测试。

1塑料复合材料在体育设施和健身器材中的应用

1.1工程塑料

工程塑料指可以代替金属部件的塑料，其主要应用于体育器材，通常被分为工程塑料和特种工程塑料两大类，工程塑料的品种有聚甲醛·改性聚苯醚·聚酰胺等，而特殊工程塑料的品种有氟树脂·聚苯硫醚·芳香族聚酰胺·聚苯酯·聚砜类等，后者的耐热可以达到150°C。这两种材料的性能相较于传统的体育器材其综合性是更为的优良，具有较好的材料抵抗塑性变形的能力·耐腐蚀性·耐寒耐热性等，使得其寿命比传统的体育设备更具有发展前景，以此可以保证器材在一定温度范围内正常使用，由于体育器材会长时间的暴露在室外或接触到酸性物质，所以其必须要具有较好的耐强酸·耐强腐蚀性的能力，在较为恶劣的环境中也可以正常的使用。工程塑料也作为体育器材的有些零部件，因其较好的性能

使得这个器材的使用寿命也大大的延长。除此之外，工程塑料的质量较轻·材料比强度高，与其他几何尺寸相同的金属器材更便于人们的使用，由于这一特点，其不但广泛应用于体育器材行业，也应用于汽车·航空制造领域，另外，工程塑料的减摩·耐磨性也是相当的强，常被用于零件表面的接触传递力矩的结构中，不仅大大的减轻了其设备的质量，还增加了其便捷性。最后一个优点便是容易加工，且生产的效率那是相当的高，除此之外，成本也较低，比如说传统的金属工件在对其刀具·夹具和切削的速度都有相应参数要求，这就直接给设计和制造的成本增加了，但若在体育器材中用工程塑料，不但增加其使用的优良性，还降低了器材在加工时所有的工艺难度，若大量进行生产的话，就可以降低生产的成本问题。

体育器材的长久使用与其好的性能是有着密不可分的关系，与普通的塑料比较，它具有好的耐热和耐寒性能，体育器材在高温和低温时都可以正常使用，因此作为结构材料的首选。除此之外，他的耐腐蚀性也是不可小视，像那些长期暴露在室外的体育器材，就算是下酸雨，也不会造成器材的损坏，而且与金属材料比较，容易加工，生产的量多，工序较为简单，费用少，具有较好的尺寸稳定性和绝缘性，质量轻，比强度高，较好的减摩·耐磨性。

2.2复合材料

复合材料是人根据材料的不同性质将其组合成新材料，复合材料的基础材料主要分为金属和非金属材料，还有一种材料为增强材料玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、石棉纤维等。人们一般对其的定义为，人们根据其需要而进行设计的制造材料，一般复合材料都有两种或两种以上化学·物理性质不同的材料进行合成，其机构具有可设计性，并可以进行复合结构设计，而且它具有各组分材料的性能的优点，性能并可以进行互补和关联，从而获得单一材料达不到的综合性能。

2.2.1复合材料性能简介

复合材料又名高性能组合材料，一般是通过物理或化学方式将两种不同性质的材料进行合成，从而获得新的性能，因合成材料具有所有合成材料的性质，因而广受人们的欢迎，从材料结构的角度上看，复合材料由基体和增强材料组成，而用于复合材料的增强材料有玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维等等，其实上，在我们的实际生活中，建筑行业所使用的钢筋混泥土就是一种复合材料，复合材料不但应用于建筑行业，其他的各行各业也同样应用广泛。在体育行业中，复合材料主要所具有的特点有比强度和比模量高·密度小，质量轻·研发的角度更加宽广·安全等级更高·安全等级更高，其中的比模量又称为比劲度，是材料的杨氏模量与密度之比，其材料比模量越大，其零件的钢性越大。像碳纤维的强度就是钢材的7～12倍，并且比模量是钢材的3-5倍，由此可得，复合材料的强度和刚度要比金属的相对要强很多。再者便是其密度小而质量轻，像羽毛球拍·滑板·自行车等，都需要其强度大而质量轻，像以前的有些用金属材料制造的器材，为了使得体育器材的质量要轻，只有采取减弱强度和刚度的措施，有了复合材料就可以避免这一问题的发生，除此之外，复合材料的研发面也比较的广，现阶段，纳米技术的应用是在各行各业广泛应用，像超分子技术和成型技术的高速发展使得复合材料的研发的前景也更为的好，由于纤维复合材料的各向异性，通过修改纤维层的方式和组合，从而研发出不同性能的材料，在我们的实际生活中，常常根据其所需要的体育器材，来进行研发，以此来适合不同的人群，这样使得体育器材行业可持续发展。除此之外，使用这种材料制作的体育器材的安全系数是比较的高，像传统的金属材料制造的体育器材常会因为长期暴露在空气中而使得部分的零部件受损，从而导致了某些安全事故的发生，有时严重的话，还可能危及到人群的生命安全，再则便是使用复合材料制造的其质量也比较的轻，器材在长时间的被使用时，不会因疲劳破坏而对整体的安全性能有所降低，还有便是使用玻璃纤维或是碳纤维的增强材料时，纤维的各个方向上的受力都是大小几乎相同，在微观的视角来看，各个的纤维的应力和应变是一样的，一旦有断口的纤维被破坏将无法再承受作用力，然而其受力将被分配到其他的各个纤维，断口出也没应力的集聚，这就使得就算是个别的纤维断裂也不会对整个的结构有多大的破坏，从而也提高了体育器材的安全系数。

2.2.2几种常用的增强材料

增强材料是制造复合材料必不可少的一种原料，像玻璃材料·碳纤维等等一些复合材料。纤维便可以作为增强材料增加承受的压力，通常为改变复合材料的综合性能往往从材料的布局形式和质量上进行改进。下文就常见的5种增强材料进行阐述，其中包含有织物结构·无机纤维·高强高模合成纤维和增强用织物结构这几种增强材料。首先是织物结构，他是以预成型结构作为增强材料和基体的合成，采用这种结构可以避免连续纤维和短纤维等等所产生的缠结和剪切效应，从而增强产品结构的一致性和整体性，再根据产品结构的不一样，织物又可以分为针织物·编织物·机织物·三维织物等等不同的结构，除此之外，预成型的结构还可以和基体制作工字梁·十字梁·螺旋等不同形状的的零件就不用二次成型，若将这项技术应用于体育器材的制作中，便可以大大的减小生产所需的时间，再者这可以使得织物结构生产的体育器材的强度和刚度有所提升。而对于无机纤维而言，它所涉及的材料有玻璃纤维·碳纤维·碳化硅纤维等等，其中玻璃材料是在这几种纤维材料中发展的最好的一种，时间上也是相对而言较为早的一种，在者便是碳纤维，它是在将近两年里发展起来的，并在工业生产中广泛应用，最后一种那便是无机纤维了，无机纤维材料主要实在拉伸强度上增强，以此来增强制造出来的产品的抵抗弯曲变形和冲击荷载的能力，因为这一能力的增强，使得这一材料被广泛应用于高尔夫球杆·网球拍·滑雪板等等体育器材中，由于这些器材对弯曲变形和承受冲击载荷要有較高的要求，在我们的实际生活中，所涉及的无机纤维有玻璃纤维·碳纤维·硼纤维和碳化硅纤维，由于这几种合成的性能不同，所应用的面也会有所不同，就说玻璃纤维具有较好的耐老化·拉伸·弯曲·冲击强度和刚度，而碳纤维除了玻璃纤维所有的性能以外，还有较好的耐热性，然而它的润湿性和沾附性相较于树脂就不太好了，因此，在做复合材料时必须进行纤维的表面活化处理，除了碳纤维具有较好的模纤维外，还有一种那便是硼纤维，这种纤维主要用来增强树脂和金属，特别是增强环氧树脂的复合材料。由于有些工种的需要，必须要器材在很高的恶劣环境中使用，对此人们便制造出了碳化硅纤维，其可以使得耐将近1000多℃的高温。有时我们需要一种与树脂有较好的结合性，所以人们便就制造出了一种名为高强高模合成纤维，其中所包含的纤维为超高模量聚乙烯纤维·混杂纤维和芳香族聚酰胺纤维等一系列纤维，像这一类纤维具有的特点为低密度·高强度，在我们的生产过程中，一般需要两种或两种以上的不同纤维来做增强材料，从而制作出混杂纤维，除此之外，我们还可以根据较为特殊的工种来研发出适合的合成纤维，其中具有代表性的的纤维有芳香族聚酰胺纤维，这种纤维因具有低密度·高强度·耐高温的特性，而被广泛的用于制造体育器材，除此之外，他和树脂的粘绪性比较好，从而使得由他合成的复合材料的拉伸强度相较于玻璃纤维和碳纤维好，而且制造出的弹性模量是玻璃纤维增强材料的2倍多，然而比碳纤维增强材料就要低一点。除了以上几种增强材料，像超高模量聚乙烯纤维·混杂纤维等等，在此就不在进行再一步的阐述。

2.3塑料及复合材料在运动器械中的应用

在体育器材中，常常用到的纤维有碳纤维。在德国某大学便成立了一个复合材料研究院，这是一个非盈利的组织，其经费大都来源于公共基金代理部门或工业部门拨款，这个机构不但在校内进行，也在其他的高校里有所合作，主要是从科研组合到产品性能和应用。该学校对此具有代表性的一个研究那便是重量为1.26kg的自行车架，其使用的碳纤维名称为F10，其刚度与质量之比超过100（sTW系数），即使没有提供较为详细的尺寸，但这并不对我们的研究有多大的影响，只要提供车架的刚度和质量比就可以了，使用碳纤维制作的自行车更加倾向于圆形或椭圆形其中之一，新近改成气动。但碳F10在车的支柱部位向下管子的外形是圆形，并且也渐渐的变为矩形横截面，研究院为了增强标准圆形横断面管子的刚度20%，便采用了此种方式来制造，特别是底部托架是承受高载荷区，这里主要连接着脚蹬子。除此之外，碳F10车架是唯一一个前叉喇叭状向下管子，使用这种外形，相较于用恒定不变直径的圆柱形管，可以承受更大的荷载，同时提高了车架的弯曲刚度，也减小了质量。就在最近，在欧洲杂志上就登了一种使用碳FIO制造的自行车，其中把它与普通的自行车比较，使用碳FIO制造的得分数是其中较高的，从而便制造出了一种新型的山地车。碳纤维不但在自行车行业得到了广泛的应用，在赛艇上也得到的应用，在世界赛艇比赛中一种名为水叶赛艇因质量轻和船身坚固，而在世界赛艇比赛中夺得头冠。水叶赛艇一般采用环氧树脂·碳纤维层压板和DIAB所制作的夹层材制作，这种赛艇具有速度快和稳定性好的潜力，就算是在奥林匹克运动会2000m的8人划艇也可以居于比较领先的位置。

随着人们的生活水平的的提高，瑞士复合材料公司，就冰球棒又研发出了一种新品种，这种冰球棒在耐久性和参赛性等方面具有较大的提高，其生能比用两片胶粘合在一起的所制作的冰球棒更好，而使用一体加工的冰球棒结构就更为均匀·连续，因没有叶子和棒的物理破裂，便可以你有好的平衡感和使用感。冰球棒第一次使用复合材料是1992年制造的，其具有好的耐久性，可代替用木头做的冰球棒，从此之后，就被广泛的应用于体育器材制造事业中，然而由于棒和叶子是被分开的，加工起来也比较的容易，但该公司相信一体化的整体棒从结构上更好，可以避免连接处出现破裂的迹象。一体化的冰球棒在不同密度的泡沫塑料上采用碳纤维·玻璃纤维和芳纶等进行铺层，再采用RTM的方法灌注树脂，通过这种处理，比用木头制造的耐久性高了整整7倍之多，除此之外，他还具有较好的震动

吸收性和快速能量释放性，主要是其中的制造材料中含有泡沫塑料芯材和碳纤维，就在近几年里，世界上有大概90%的冰球专业比赛大都使用复合材料来制作冰球棒。碳纤维有时也被用于救援事件中，其中最有名的便是Comitech与Saint-Gobain Vetrotex公司共同研发的复合材料扩展器，这种复合材料的扩展器可以在高山上使用，因此而获得2005年复合材料的创新大奖。此种扩展器是用的真空成型法，并用两种热塑料复合材料制作，主要是这种新型的复合材料具有质量轻·刚性好，在使用时，便于人们的搬运和安装拆卸，可以在救援场地快速拆除和安装。这种扩展器的起源主要是PGHM·Chamoniarde安全部门和Val-dotain阿尔卑斯山救援队在救援时所来的，当时救援时，所用的扩展器是20A的金属扩展器，但其舒适性比使用这种新型的就要差一点了。

2.4塑料复合材料性能测试

我们的体育器材和健身器材主要为热塑料性塑料，其中的主要的原料不饱和聚酯树脂·环氧树脂和碳纤维增强树脂，下文主要从耐腐蚀性能和力学性能两个方面对其中的主要的原料进行测试。

2.4.1耐腐蚀性测试

本实验所需要的材料有Ca（OH）2，NaOH，Na-c1，KOH，测量仪器有电子天平·全自动旋转蒸发仪，具体的实验步骤是称取118.5gCa（OH）2·0.9gNaOH，4.2gKOH和35ml（g/m1）NaCl溶液溶于1000ml去离子水中，将其分为3份，把三组材料浸泡在该混合液中4周时间，间隔大概一周进行检验，实验结果如表1所示。

由表1我们可以得出这三种材料的耐腐蚀性由高到低的为环氧树脂·不饱和聚酯树脂·碳纤维增强树脂基复合材料。由于经过了长达4周的盐碱混合液浸泡，这三组材料反生了不同程度的变化，主要是检验气泡和质量的变化。

2.4.2力学性能测试

本实验所需的材料为不饱和聚酯树脂片材，其型号为WSR 618;环氧树脂片材Araldite XH-E44：碳纤维增强树脂基复合材料片材BQ-y-p-1.5K-025;这三组材料的长度和宽度分别为250mlx20ml。所要的仪器有微型测力传感器，EVT-14F-M·位移传感器，2DD-T200·冲击试验机，HD-1048·微机控制电子万能试验机，RGT-20A。最后便是如何进行实验了，主要是对其拉伸性能·冲击性能两种性能进行测试，其拉伸性能的测试所用的测试仪器有微型测力传感器，将三组样品材料分别放置在微机控制电子万能试验机上，并设置其拉伸速度为mm/min，而对于冲击性能的测试，所用的仪器有冲击试验机，并设置其冲击锤冲击能为8J，实验结果如表2所示。

从表2中，我们不难看出碳纤维增强树脂基复合材料的拉伸强度·弹性模量·冲击强度相较于其他两种的要好，而对于断裂伸长率就低于其他两种材料，其中不饱和聚酯树脂高于环氧树脂，若想改进这一个特性，可以进行再一步的研究，添加合适的助剂。

3结语

在以往的体育器材中，都是用传统金属和木质材料进行制作，但其综合性就更为的优良了，所使用的范围也比较广泛，由于塑料和复合材料被广泛的应用于体育器材的应用中，从而增长了其使用的寿命，同时也减轻了质量以保证强度和刚度。

即使國内对于塑料和复合材料的研发比较的晚，但其发展是不容小觑，速度是相当的快，所研发的产品也广泛用于我们的实际生活中，若与欧美国家相比的话，还是有一定得差距的，这也是我们后期所需要努力的地方。就相关的体育行业的专业人士透露，纤维复合材料在体育行业具有好的发展空间，这也会在体育行业占据主导地位。