纤维增强树脂复合材料在运动器材中的应用

（陕西学前师范学院体育系,陕西 西安710100）

玻璃纤维(GF)或者碳纤维(CF)增强复合材料是一种增强型结构材料，它主要由陶瓷、金属、树脂、纤维等基体经由复合而成[1]。它的比模量、比强度都比较高，综合性能指标非常出色。它被广泛地运用在汽车、航天、航空和其它工业领域中，逐渐地变成为运动器材中的最佳材料[2]。运动器材对疲劳特性、刚度、密度等方面的要求非常严格。和传统材料相比较，此类复合材料性能的优势非常明显，它已成为当代体育器材中不可或缺的一种新材料[3]。

塑料及其复合材料的优点很多，如价格低、密度小、具有较好的比模量与比强度、易于成型等，所以被普遍地用在各种运动器械与体育设施中[4]。随着这些材料的性能越来越突出，它们慢慢地取代了木材与金属，被广泛运用于运动器材中，如被用在跳水、帆船、摩托等很多运动器械中[5]。运动器械要具备稳定良好的质量与性能，可以充分地削减运动员受伤的概率[6]。过去溜冰鞋均采取金属材质的轮子，如今已经替换成了硬质聚氨酯制成的轮子，耐磨损、耐摩擦的性能更高。采取陶瓷纤维、碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维增强型的复合树脂材料制成了轻巧、耐用、结实的网球拍骨架。曲棍球、划桨、高尔夫球、吊伞索、滑雪棒等，都采取了层压纤维制成的增强型复合树脂材料制备[7]，此类运动器材的质量比较小，然而却能够承受强度很大的外力，综合性能非常突出。采取适当形式与结构的复合材料造出的帆板，能够满足此类运动对器材很高的综合性能要求。它能够把超高分子量定向聚乙烯(UHMWPE)纤维层或者纤维织物聚压到聚酯薄膜上。所以尽管帆的质量很小，然而却具有很高的强度，不易于出现蠕变。在运动区与体育设施领域中，树脂与相关复合材料的市场已经非常可观，而且其销售额与市占率都在持续攀升。

1 适用塑料品种及特性

几乎任何热塑性塑料均可用于运动器械与体育设施中，比如聚碳酸酯(PC)与聚酰胺(PA)等，热塑性塑料中的合金也不例外。表1中列举了运动器械与体育设施用复合材料的几种相关树脂性能。

表1 体育设施和运动器械用复合材料的树脂性能Table 1 Resin properties in composite materials for sports facilities and sports equipment

1.1 不饱和聚酯

不饱和聚酯被固化后，呈现为固体，不透明或者透明，具有良好的韧性，不具备优良的耐光性，容易着色[8-9]。即便被浸入到盐或者酸溶液中，不饱和聚酯依旧具有稳定的性质，燃烧性一般，缺乏较强的耐热性，具备较高的力学性能、良好的电气性能与耐腐蚀性，能够和绝大多数增强剂进行复合。而且，它的成本也比较低。用不饱和聚酯与玻璃纤维，能够以手糊成型等方式，完成制作皮划艇艇身的工作；采用一定量的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、不饱和聚酯与玻璃纤维，采取层压或者手糊的手段，可制成所需要的冲浪板，质量轻盈，耐磨损、结实耐用。采用玻璃纤维GF增强不饱和聚酯，采取缠绕或者挤压的手段成型，能够制成高质量的高尔夫球棒；而且，在电碰车、速滑车、滑梯或者成型体育场的各种座椅中，都可以运用不饱和聚酯或者玻璃纤维增强复合材料。

1.2 环氧树脂

环氧树脂(EP)固化物的耐腐蚀性、介电性、力学性能、黏结性都非常优异，收缩率比较低，尺寸稳定性也比较突出[10]。因为环氧树脂以及用于环氧树脂的固化剂有很多品种，可以通过多种配方组合成相应的固化体系，在此基础上可以生产出性能各不相同的固化物。采取玻璃纤维或碳纤维增强环氧树脂复合材料，能够制成韧性好、弹性突出的撑杆；碳纤维或者环氧树脂复合材料，通常情况下被加工成滑雪棒，耐用性好，结实可靠，十分轻巧；玻璃纤维或者环氧树脂复合材料，环氧树脂/碳纤维复合材料还能够采取挤压或者缠绕成型的手段，加工出强度大、韧性突出的弓箭。

1.3 聚邻苯二甲酸二烯丙酯

聚邻苯二甲酸二烯丙酯(DPAP)的力学性能非常突出，和碳纤维、玻璃纤维等纤维一样，黏结强度都非常高，具有良好的耐热性，收缩率也比较低。

2 纤维增强树脂复合材料在运动 器材上的应用

近年来，国内越来越多地把纤维增强树脂复合材料运用于体育器械与运动器材中，比如羽毛球拍、钓鱼竿、自行车、滑雪板、冲浪板、网球拍、高尔夫球杆等多种设备中。

2.1 撑杆

撑竿跳高是被奥运会最早列入正式比赛的项目之一，最初运用的撑杆由山胡桃木制作而成。虽然很结实耐用，然而它不够轻便，储能比较差，不具备良好的弹性，运动员会浪费不少动能，因此撑杆跳比赛无法获得理想的成绩。后来该项目采取竹竿制成的撑竿，因为竹子质量较轻、中空，对助跑非常有利，韧性与弹性都很不错。运动员使用这些撑杆后，他们的比赛成绩显著提升。上世纪六十年代，人们不再采取竹竿制作的撑杆，而是开始用聚酰胺来制作撑杆，后来玻璃纤维撑杆又代替了聚酰胺撑竿。随着人们持续更新制作撑竿的相关材料，运动员们屡次刷新世界纪录。眼下人类已经造出了第四代撑竿，玻璃纤维与聚酰胺不再使用，纤维增强树脂复合材料具有更优异的性能，它能够按照撑竿受到的不同外力，采取与运动需求相符合的材质，制作运动撑杆的相关部位，获得整体性能更突出的撑杆设备。此类撑竿耐用、非常轻盈、柔韧性非常优异，基本上不会发生扭结或者断裂等问题，它能够将动能转化成相应的弹性形变能，在撑竿被压弯到弧度最大后，能够迅速释放这些弹性形变能，变成势能协助跳高运动员腾空而起，从横杆上飞跃过去，以获得更理想的比赛成绩。

2.2 羽毛球拍及网球拍

二十世纪七十年代，东丽公司与河崎球拍厂合作设计了碳纤维复合增强材料(CFRP)羽毛球拍杆。它们当时销售的是B-80型羽毛球拍的木质拍框，拍杆采取了碳纤维复合增强材料，B-82型球拍属于铝质拍框，拍杆采取了碳纤维复合增强材料。随着新型材料持续更新、迭代，需要质量越来越高、性能更佳的运动器材，球拍骨架材料均已采取碳纤维增强环氧树脂或玻璃纤维增强环氧树脂来制造和加工，如今市场中销售的各种高档羽毛球拍中，它们的拍杆与拍框均采取碳纤维复合增强材料制作而成，比如B-86型羽毛球拍。如今羽毛球拍朝着CF复合增强材料拍杆、拍框的方向发展，循序渐进地取代了铝合金钢杆与拍框，让球拍总重量不超过一百克。在打球过程中，羽毛球拍存在着复杂的受力情况。因此，球拍杆的弯曲强度要大、纵向弯曲刚性要强，必须具备出色的强度与扭曲刚性。

网球拍是一种常用的运动器材，如今市场中销售的高中端网球拍，均采取纤维复合增强材料精制而成。它的优点非常突出，比如具有较强的可塑性与延展性，减振性能非常突出，设计种类也将越来越多元化。美国一家企业最早在网球拍中运用纤维增强树脂复合材料，之后其它企业纷纷效仿。第一，可以利用此类材料，加工成大型网球拍，其使用性能和传统的木制网球拍相比，得到了长足进步和发展。虽然重量相同，然而它们的延展性却存在着很大区别，由这些复合材料加工的网球拍面积，比木质网球拍面积多出了50%。而且，它也在较大程度上提升了自身的网线张力。此类复合材料具有较高的比模量、比强度，质量很轻，因此即便是大型网球拍采用此类复合材料，也可以确保球拍较轻的重量，在拍打过程中不易于发生变形。第二，此类复合材料的减振吸能性非常突出。在开展网球运动的过程中，球与球拍之间的相互作用，可以促进振动。此类复合材料制作的网球拍，减振效果良好，降低它的振动幅度，乃至于不振动，让运动员的手受到的振动非常之小，运动过程更为舒适。碳纤维在加入了纳米二氧化硅粒子的环氧树脂中接受预浸渍，把它制为单向碳纤维增强片材，借助所得片材，加工成所需要的网球拍框。此类制备方法在一定程度上改善了材料结构，促进了均匀一体化，获得更大强度的材料，球拍的耐用性更好，也更为可靠、结实。

2.3 滑雪板

近年来日益增多的人们开始喜欢上了滑雪运动，其中滑雪板是关至关重要的运动器材。它会影响到人们的滑雪效果和人身安全。因此为了破解此类问题，要继续改进和开发更高水平的滑雪板材，提升其质量，从而获得更轻的滑雪板，具备更好的可控性能、减振性能，延长它的使用寿命。因此，复合材料是最理想的选择。采用玻璃纤维增强树脂复合材料造出的滑雪板综合性能非常优异。它比传统的金属材质与木质滑雪板，具备更理想的使用性能。就木质滑雪板和金属滑雪板而言，前者容易被毁坏、发生形变，后者的适应性非常不理想。但是玻璃纤维增强复合材料滑雪板的韧性非常卓越，而且在很大程度上延伸了它的使用寿命。

滑雪板选用的材料与结构错综复杂。长时间以来，使用与开发者对板材的轻量化、提升减振性能、延长耐疲劳寿命、改善回转特性非常关注。如今，人们已经逐步淘汰了木制滑雪板，开始采用新型的复合材料滑雪板，其主体结构由高强铝合金、玻璃钢、塑料、钢刃与PUR泡沫等精制而成，使用性能非常出色。相关研究成果表明，其板体下层材质的主要成分涵盖了聚乙烯(PE)与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，碳纤维或者环氧树脂复合材料被用作它的结构层材质，而且还填充了聚氨酯泡沫塑料，制造出的滑雪板可以说是性能出色、款式多样。采取碳化硅纤维（SCB）增强树脂复合材料生产出的滑雪板，它的最显著特征是具备非常出色的扭曲和弯曲平衡性，滑行性与回转性之间达到了很高的匹配度，具有极好的滑雪稳定性与减振性能。日本一家企业已经在销售此类产品。而且，人们也可以利用硼纤维增强树脂复合材料，生产出使用性能良好的滑雪板。

2.4 帆船及帆板

船体结构对材料的强度和刚度都有着较高要求，主要使用纤维增强热固性塑料，比如玻璃纤维增强热固性树脂，它的比强度大致达到了钢铁材料的两倍到三倍，而且它也拥有塑料的耐腐蚀、介电性等多种性能。在复合材料中加入了高性能纤维和相应的织物后，其比模量与比强度达到了更高水平。一般情况下，人们把酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基酯、不饱和聚酯等基体树脂加入到帆板与帆船中，能够有效地契合船帆与船体对这些材料的性能要求。帆板重点涵盖了两部分，帆桅与帆体。帆板采用了两类塑料，分别是热固性塑料与热塑性材料，热塑性塑料重点涵盖了聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯酸酯共聚物(ASA)/ABS和苯乙烯/丙烯腈和相应的合金，聚丙烯(PP)、聚乙烯；热固性塑料涵盖了聚氨酯、环氧树脂与不饱和聚酯。增强纤维涵盖了芳纶纤维、石墨纤维、玻璃纤维、碳纤维等。帆板相关组成部件都可以采取很多成型方法，比如热成型、旋转模塑、吹塑模塑、注射模塑，再就是经常采取的热固性树脂成型方式。

2.5 垒球棒

垒球棒最早是由木材制成，而随着材料科学的进步，纤维增强树脂复合材料因其质轻、强度高，被用于开发制作垒球棒，可以选用硬质PUR泡沫塑料和玻璃纤维增强塑料(GFRP)、CF增强硬质PUR和CFRP、或者是全部采用CFRP来制作球棒，使用寿命长且耐磨损。

3 结语

当前国内外在发展纤维增强树脂复合材料方面，具有非常可观的市场潜力和乐观的应用前景。如今它已经在运动器材市场中占据了大部分市场份额。随着社会不断向前发展，人们需要越来越需要各类运动器材，对此类复合材料提出了更高要求。纤维增强树脂复合材料在与时俱进地向前发展，发展前景必将更加广阔。