基于CFRP材料在体育器材上的应用与设计

（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）

碳纤维复合材料（CFRP）主要是由碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合而成的一类增强结构材料，因其质量轻、强度高、易加工成型、化学稳定性好的优点，被广泛应用于航空、汽车、体育器材等领域中[1-3]。随着体育运动的发展，对器材的要求越来越高，以纤维增强复合材料为主的体育器材将成为体育用品产业发展主流[4]，利用CFRP材料代替传统摩托竞技、跳水运动等金属和木材运动器材，在提高运动器械性能的同时，最大限度地降低了运动带给人员的伤害[5]。如利用硬质聚氨酯代替溜冰金属轮子，使器械具备了更高的耐磨性能[6]；利用陶瓷纤维增强复合材料制造的网球拍骨架，降低了球拍的整体重量同时具备了更高的强度[7]；采用层压纤维复合材料制造的高尔夫球、吊伞索有效提升了运动器械的综合力学性能，不易发生器材损耗[8]。

1 碳纤维复合材料塑料品种及特性

CFRP作为一类无机高分子纤维材料，是由经过碳化的丙烯纤维和环氧树脂按照一定的配比热固而成的典型复合材料，具有强度大、密度小的优点[9]。通常CFRP的比强度达到了1274MPa，弹性模量达到了156800MPa，且不同的树脂所得到的CFRP材料力学性能各不相同，用以满足不同的运动器械。VK 目前较多的体育器材上的碳纤维复合材料的树脂主要有不饱和聚酯（UP）、环氧树酯（EP）、聚邻苯丙酯（PDAP）等，表1为常见几种体育器材用碳纤维树脂的性能参数。

表1 体育运动器械CFRP树脂性能Table 1 Performance of CFRP resin for sport device.

从表1中可以看出，CFRP材料的强度、韧性、弹性更适合于体育器材，同时复合材料具备的优异阻尼减震性能是代替传统金属材料的一个重要原因，且复合材料良好的加工成型性能和设计性能，能够根据运动选手自身的特点加以设计修饰，是传统金属材料和木质料难以满足的。

2 碳纤维的产品的成型技术

CFRP一个重要的优势，是具备优良的加工和设计性能，能满足不同运动选手的实际需求。对于CFRP材料，通常可通过合理设计来实现一次整体成型，不需要再单独进行装配成型和组合成型工艺，避免了材料的浪费。随着加工工艺发展，目前体育器材成型工艺主要由模压成型、拉挤成型、树脂传递模塑和缠绕成型等。

2.1 模压成型工艺

模压成型时将CFRP复合材料置于封闭模腔内，利用高温高压固化成型复合材料制品。模压成型模具由阴、阳两部分构成，增强材料主要为短切纤维、连续纤维织物。对于复杂的运动产品无需进行辅助车、铣、刨、磨工序，制品一次成型，具有良好的外观几何结构，较高的精度和可重复性，特别适合用于大批量、高精度的制品中。但模压成型工艺的模具设计复杂，初期投资要求较高，对设备使用环境有一定要求。

2.2 拉挤成型

挤拉成型是复合材料在外力牵引下，经过浸胶、挤压、加热固化、切割工序制造的几何形状自由的线性制品，挤拉成型主要用于碳纤维复合材料型材的连续生产中。将浸渍的连续纤维浸入一定几何形状的成型模具，在模腔内固化或凝胶，出模，通过机械拉力引拔出无限长的型材制品。挤拉法制备CFRP型材制品时，沿轴向平行排列的CFRP增强纤维提高了材料的强度，采用编织袋提高材料的横向强度，纤维毡材料制备各项同性制品。挤拉制品具备高强、轻质和优异的装饰特性，被应用于鱼竿、攻坚、滑雪杆等体育设施中。

2.3 缠绕成型

缠绕成型工艺是在专业缠绕机上，将预浸料胚有规律的缠绕在转动芯模上，经过固化、去芯片处理得到碳纤维复合材料制品。缠绕法适用于制造简单的圆柱体、球体以及某些同芯回转体制品，同时也可制备复杂的非旋转体部件。将碳纤维材料根据制品的受力特征有规律的排布，充分提高纤维强度，得到轻质高强制品，能实现连续化、机械化生产。采用缠绕成型法需要除去芯模，因而不能制备凹曲表面制品，可制成钓鱼竿、高尔夫球杆等。

2.4 树脂传递模塑

树脂传递模塑（RTM）技术是将纤维或预成胚植入密封模腔，通过一定的压力将液态树脂植入模腔，浸透纤维，经过固化、脱模工艺获得成型制品。采用RTM技术能够制造高精度、低孔隙率、高纤维含量的复合材料构件，不需要胶衣树脂即可获得光滑双表面。RTM成型利用CAD进行模具设计制造，降低了工艺难度，同时制备成型过程气态挥发分少，工艺现场环境较好，用于部件的局部增强或制备细节构件，具体包括生产自行车、皮划艇等承载部件等，图1为RTM制备自行车的工艺流程图。

图1 RTM 制备工艺流程图Figure 1 RTM process f low diagram

3 CFRP材料体育器材应用

当前运动种类多样，所采用的体育器材也各不相同，而CFRP材料由于其独特的优势，被用于多个运动领域中，下面针对几种常见运动器材进行讨论，表2所示为纤维材料应用的部分实例。

表2 CFRP在体育器材应用实例Table 2 Application examples of CFRP in sports equipment

3.1 滑雪板

滑雪板要求器材轻量化、减震性强、耐疲劳寿命高。传统滑雪板主要为木质和金属材料。木质轻且性价比高，但易变形，铝合金适应性差，碳纤维复合材料能在任何雪质中使用，且维护方便。碳纤维滑雪板(图 2)以夹芯复合材料制成，碳纤维置于木芯上部来提高滑雪板屈伸度，夹芯采用PU和PVC料来提高滑雪板弹性，将玻璃纤维置于内核上方来连接面板和中核，提高滑雪板韧度（图2）。

图2 碳纤维滑雪板截面Fig. 2 Carbon f iber snowboard cross section

3.2 高尔夫球杆

早在1972年，美国Shakespear公司通过缠绕法制得了CFRP高尔夫球杆，取代了传统木质球杆，通过CFRP材料制成的棒头较传统柿木棒头重一倍，有效提高了击球时候的初始速度，同时CFRP棒头设计自由度大，可制造中空棒头，提高了球在飞行过程中的速度以及球飞行的稳定性。目前高档高尔夫球杆采用密度小、强度高、弹性和耐冲击性优良的CFRP材料，不仅有效提高了高尔夫球杆的使用率，且充分发挥了运动员的击球力量和技术。表3中对比不同材料球杆的击球初始速度和飞行距离可以看出，采用CFRP材料在相同的握手重量和击球头重量下，具有更高的击球速度和飞行距离。

表3 不同球杆材料的击球速度和飞行距离Table 3 The speed and f light distance of different club materials

3.3 自行车

自行车不仅仅是一种交通工具，同时也是健身、竞赛器材。传统的铝合金或铬鉬合金车架车体重量大，骑行输出力小，而采用碳纤维自行车的车架结构轻，强度和刚度高，被广泛用于专业比赛用车，目前通过将碳纤维和热固性树脂基复合材料来制造赛车车架、车轮部件，有效降低车身重量。通过树脂传递模塑工艺进行批量化生产。表4为CFRP自行车典型部件的选材。

表4 自行车主要部件使用材料Table 4 Use materials of main parts of the bicycle

3.4 网球拍

网球拍需要保证拍框良好的比强度和比模量，较高的扭转刚性和减振吸能特性。碳纤维复合料制备的大型网球拍，设计自由，具备很好的减震吸能性能。相较于传统的木制网球拍，采用CFRP材料在相同重量下的球拍面积可提高1.5倍左右，网线张力提高20%～45%。因此大型网球拍框架面积大时，就要求采用重量小、比强和比模大的碳纤维材料来保证整体重量和击球过程中不易发生变形。碳纤维复合料具备优异的减震阻尼性能、不易起振、起震不易停振的特点，能有效阻尼击球的振动，提升网线与球的接触时间，提高击球初始速度，并给运动员更高的舒适感。碳纤维复合材料优良的加工工艺特性，具有了很大的设计自由度。

3.5 其他运动器材

碳纤维撑杆可根据撑杆受力差异对不同部位进行材料设计，保证撑杆具备高强弹性和储能能力。最新碳纤维撑杆在保证撑杆柔韧性的同时不会发生扭结或断裂，将运动员的动能转变为撑杆弹性变形，当撑杆发生形变，部分储能释放转化为运动动能，提高了运动员的初始动能。

采用碳纤维复合料的弓臂有效提高了弓和箭的比弹性，最大可承受50kg/mm2弯曲应力，提高了箭的最大初速度和射程。碳纤维材料具有更高的耐疲劳特性，因而提高了弓箭的使用寿命。

此外，碳纤维复合材料还广泛应用于动力雪橇的弹簧板、冰球棒、赛艇、登山用品、人力飞机中，不仅提高了运动员的竞技成绩，提升了运动安全系数，也为全民运动的普及提供了有力保障。

4 结语

碳纤维复合材料在体育器材领域中的应用，已经形成了广大的消费市场，同时随着体育运动对器材各项性能提出更苛刻的要求，碳纤维复合材料必将成为今后体育用品产业发展的主流。可通过运动器材的提升来带动运动员不断挑战极限。现代竞技体育已经不是纯粹的更高、更快、更强，而是国家科技发展和综合实力的提升，因此，碳纤维复合材料的应用也是科技创新在体育竞技中的集中体现。