复合材料在体育用品领域的应用探究

张育新 张悦 向祖兵

摘  要：复合材料是运用先进制备技术将不同材料组分优化合成的新材料。相比传统的木料、钢铁等，复合材料具有密度小、力学性能好、可设计和可加工性强、耐久性、绿色环保等优势，在化工、汽车、电子电气、医学、航空航天、铁路建设等领域得到广泛应用。近年来，由于对复合材料上述优势的不断研究与利用，大大提高了我国体育用品的性能和质量，复合材料逐渐在体育用品领域成为研究热点。本文归纳了复合材料应用于体育用品领域的优势所在，并分别对不同复合材料在体育用品领域的应用进行分析，展望了其发展前景。

关键词：复合材料;体育用品;应用

中图分类号：G818    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2020）42-0055-06

体育已成为体现综合国力、激发民族精神的宏伟事业。根据中国体育产业发展报告（2019），我国体育用品制造业增加值从2014年的2547亿元增长到2017年的3265亿元，从增长速度看，2014至2017年的行业年均增速为10.5% [1]，这为复合材料在体育用品领域的应用提供了极大的发展空间。复合材料种类很多，主要有纤维复合材料、塑料复合材料和金属基复合材料等，具有密度小、抗震性能强、易加工成型等优势。在体育用品领域，体育器材行业要可持续发展，必须根据不同使用者，尤其是优秀运动员的需求来进行器材研发。在某种程度上，体育竞技也是科技的竞技，随着竞技体育的竞争日趋激烈，复合材料体育器材装备的研发大有可为。

一、复合材料在体育用品领域应用的优势

（一）密度小

体育器材与体育运动是相互促进的，而大多体育运动都是通过人力进行的，较重的运动器材对运动员来说反而是一种负担。为了尽可能发挥运动员的真实水平，大多运动器材都会采用质轻的材料，例如帆船、网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆等。传统的木材虽然质轻，但由于其易损坏，不耐久等缺点而逐渐被金属取代。大多复合材料的密度远远低于金属的密度（如表 1所示） [2]，其优势是显而易见的。

（二）力学性能好

复合材料的塑性、强度、疲劳强度、抗震性和弹性等力学性能都远超木材、铝合金、钢铁等材料（如表 2所示） [3]。酚醛树脂、环氧树脂复合材料等热固性复合材料所制造的器材在静载荷作用下能够抵抗永久变形或断裂，而如聚氯乙烯一类的热塑性复合材料又能够在荷重时发生永久变形却不被破坏。

以网球拍为例，对采用普通材料和碳纤维复合材料进行最大受力工况应力应变分析。当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。材料发生形变时，物体内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，单位面积上的内力称为应力。采用Ansys进行受力分析，首先在Ansys19.workbench中划分网格，并施加边界条件和受力条件，如图 1所示。普通材料及碳纤维材料的应力及应变分析结果分别如图 2、图 3所示。

（三）可设计和可加工性强

复合材料由基体材料和增强材料组合而成，基体材料主要有铝、镁、橡胶、石墨等金属和非金属，增强材料主要有玻璃纤维、硼纤维和芳纶纤维等。各种组合成分的比例改变，或加入一种新的材料，整个材料的性能也会发生巨大的改变。复合材料的加工方式多种多样：拉挤成型技术、模压成型技术、缠绕成型技术和树脂传递模塑成型技术等，可根据使用者的需求设计出最适合他的器材。不仅如此，复合材料因其自身可塑性强，其二次修护也是极为方便的，可以大大节省维修费用。

（四）耐久性

传统的户外运动器材大多采用钢铁，因为长时间暴露在外，经过风吹日晒，会逐渐生锈被腐蚀。因此，户外运动器材往往存在很大的安全隐患。而复合材料因其良好的耐水性、耐腐蚀性和耐热性等（如表 3所示） [4]，能够长时间暴露在外而不受影响，大大延长了器材的使用寿命。

（五）绿色环保

大多運动器材都会与运动员的身体部位直接接触，若采用的材料挥发出有毒气体，如乒乓球拍使用的胶黏剂释放甲醛，橡胶释放有毒硫化物等，必定会对运动员的身体产生危害，还会污染环境。复合材料安全环保，部分材料能够二次回收利用，卫生性强，无论对环境还是人体，都十分友好。

二、不同复合材料的性能

（一）纤维复合材料

芳纶复合材料和碳纤维复合材料是主要的两种纤维复合材料。齐佳认为，芳纶用具在体育防护用具中能够充分发挥自身耐酸碱、强度高、可纺织性强等优点，其密度能够达到1.42～1.45g/cm3 [5]。贾琳分析得出芳纶材料最优秀的力学性能是0°拉伸强度，远远高于玻璃纤维材料或碳纤维材料，制作的防护用具有较好的透气性和减震性，在危险系数较高的运动中能够有效缓解冲击，但也存在压缩强度低以及不耐紫外线照射的问题 [6]。碳纤维复合材料具有碳材料的固有本性特征和纤维的柔软可加工性，其研究与生产得到了全世界的重视，其中日本、美国的投入与研究最多 [7]。20世纪80年代，意大利，法国，英国和美国相继开发了碳纤维自行车，它的强度、硬度和性能远远超过传统的自行车 [8]。孙晋媛指出，应用了柔韧性非常理想的全掌碳纤维底盘的运动鞋，能使运动员从地面获取更大的反作用力;通过特氟纶纤维设计的泳衣能够减小水流的阻力 [9]。由此可见，各国对纤维复合材料的研究都极为重视，且研究成果瞩目。纤维材料在体育用品领域的使用必将成为一种全球化潮流和趋势，体育器材行业对纤维复合材料的需求量也会越来越大。

（二）塑料复合材料

塑料复合材料大多由高聚物基体和不同增强体复合而成，使用寿命长，优异的成型工艺使得塑料复合材料器材易于实现量产的目标，能够及时满足体育器材行业的需求。江伟指出，不饱和聚酯、环氧树脂、聚邻苯二甲酸二烯丙酯等是典型的塑料复合材料，基于缠绕成型的工艺方法，不饱和聚酯可以用来制造高尔夫球棒，环氧树脂还可用于制造坚固耐用的攀岩墙 [10]。张建龙分析得出聚氨酯材料在滑板制造中被大量使用，这是化学合成的硬橡胶，通过材料比例的改变以达到不同路面所需的硬度和弹性要求，具有很高的经济效益和实用性 [11]。不仅如此，聚氨酯材料安全等级高，局部遭到破坏不会对整体造成影响，以聚碳酸酯为原材料的护目镜即便破裂也不会对眼睛造成损伤。

（三）镁基复合材料

镁基复合材料疲劳强度高，具有良好的耐磨损性，是金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，适用于体育竞争中高强度、经常会出现磨损的体育器材领域，但由于是金属基复合材料，其原料成本问题也是不可忽视的。任祥钰等人经过实验分析得出室外的体育器材受温度的影响较大 [12]，我国有的地方夏天晒烤温度可达700℃，而冬天低至-500℃，采用镁基复合材料制作而成的腰背按摩器、户外双杠、健身转盘等户外运动器材，其性能不会因为温度的变化而降低，有着较强的韧性和安全性。不仅如此，镁基复合材料还被应用于自行车，网球拍等领域。受制备工艺和材料成分的影响，目前除碳纤维增强体外，其他增强体镁基复合材料的研究与应用较少，缺乏多样性，因此，对该类复合材料的应用还有待进一步的深入研究。

三、复合材料在不同体育用品领域的应用

（一）水上运动设施

水上运动项目包括赛艇、帆板、皮划艇等，全程在水上完成，为确保水上运动设施在水中的安全性和稳定性，主要采用不渗水、耐腐蚀的塑料复合材料和高强度的纤维复合材料。不饱和聚酯因其柔韧性与耐酸性良好，通常将其与纤维材料复合应用于制作皮划艇的艇身结构 [12]。赛艇艇身部分大多采用芳纶纤维复合材料，艇身骨架采用高强度的玻璃纤维增强塑料，桨则大多使用泡沫夹层板。在冲浪板、滑水板等设施中，其表层材料由聚氨酯泡沫和纤维增强塑料复合而成，内层则使用乙烯基树脂和聚氯乙烯所构成的复合材料 [13]。但聚苯乙烯、聚氨酯等复合材料的高毒性往往会危害工人的身体健康乃至环境，Truc T. Ngo等人研究的生物基聚合纤维复合材料可被生物降解，制成的体育用品在使用寿命结束后能够降解成对环境友好的副产物，同时不会影响强度等性能 [14]。水上运动逐渐成为人们的新宠，水上自行车、水中大滚筒、风筝冲浪等新型水上运动项目逐渐增多，这也就意味着需要更多新型的复合材料来满足水上运动设施的需求。高强度、耐腐蚀的碳纤维增强复合材料以及可生物降解的聚合纤维材料在水上运动用品领域有广阔的发展前景 [15]。

（二）球类运动设施

球类运动设施中的击球工具主要采用高强度、高弹性的芳纶和碳纤维复合材料，而球类为保证使用寿命，主要采用耐磨、耐冲击的塑料复合材料。用于制造这类设施的复合材料除了要考虑提升球类的品质和速度，减轻工具的质量，还要考虑使用者的舒适度，达到减震吸能的效果，确保使用者能够发挥出真正的技术。

Zhang指出，现在的高尔夫球杆大多采用碳纤维复合材料，其质量轻，强度高，弹性高，耐冲击，提升了高尔夫球的飞行距离和飞行的稳定，也使运动员能够充分发挥高尔夫球的强度和技术 [16]。Yang总结出碳纤维网球拍减震性能较好，不易变形，其张力较普通的球拍提升20%～45%左右，增加球与网的接触时间可以改变球的初速度 [17]。由于芳纶材料比碳纤维的延展性更低，部分网球拍会采用芳纶纤维。碳纤维网球拍比芳纶稍硬，产生的振颤稍大，往往在球拍柄注射巢状的聚氨醋泡沫来降低振颤力度，提高运动员的舒适感 [8]。另外，Wang分析认为，在乒乓球拍底板中加入碳纤维复合材料，可大大提高球拍的硬度，增加击球瞬间的灵敏度，缩短球在底板上的停留时间，且有利于降低击球弧度 [18]。常见的球类有高尔夫球、保龄球、棒球等，其中高尔夫球以发泡离子树脂作为主要材料，具有高旋转性和击球感。张文新等人针对保龄球外壳进行试验，对异氰酸酯、低聚物多元醇、扩链剂和多种功能助剂的种类和用量进行了系统地分析和考察，制造出了质量优良，抗摔次数高达800多次，高耐磨、高弹性、耐冲击的新型聚氨酯保龄球外壳 [19]。

（三）运动场地

运动员和运动场地之间的动态相互作用对运动员极为重要，着陆冲击力受运动场地材料的强烈影响，目前运动场地材料主要以能够吸收冲击力的塑料复合材料为主。专业的体育竞技比赛地板普遍地应用一种新的、米粒大小的橡胶碎片，因其具有良好的缓冲性、柔软性和弹性。这种地板大大降低了地板对运动员身体的冲击力度，在保护运动员身体的同时，该地板的空气伸缩性以及空气弹力层也达到了理想的消音效果 [20]。目前，传统的水泥运动场已逐渐被聚氨酯塑胶跑道代替。聚氨酯塑胶的高弹性可减少运动者体力消耗，有效保护其脚和膝关节;理化性能稳定，耐气候老化性能优良;良好的室温成型效果，适合大面积施工铺设;没有大量灰尘，也更容易保养维护，适合学校高频率高强度的使用 [21]。不仅如此，这种塑胶跑道耐磨耗性小于2.5%，抗钉力强，在受力最大、使用最频繁的百米起跑点，也不会受钉鞋或起跑架破坏，是国际上公认的最佳全天候室外运动场地坪材料。但这种跑道带来的环境问题也是不可忽视的，原料聚合过程中易混入毒性较强的甲醛、TDI等，塑料成型使用的固化剂含有对人体有害的重金属，并且一个400 m长的标准田径场地的塑胶跑道寿命为8～10年，之后产生的跑道垃圾为175 t [22]。因此，需要继续对原料和施工方式做出改进，购买质量合格的原料，培养技术过硬的质检人员。对产生的跑道垃圾也要尽可能回收利用，避免对环境造成不可逆的破环。随着研究的深入，在解决成本和复杂的加工方式等问题的基础上，可采用无毒无公害的硅PU材料和丙烯酸材料 [23]，或进一步研究合成可生物降解的塑胶材料。

（四）其他运动设施

郭华伟指出，近些年滑雪板不断优化升级，提升了减震性能和耐疲劳寿命，特别是由pu或者pvc材料制成的复合板有一定的弹性，并且伸屈性较强，能够增强整体的滑板韧度，让滑板具备一定的张力，适用于任何雪地场地，并且价格适中，性价比较高 [24]。溜冰鞋的轮子因为长期与地面摩擦而损耗较大，因此采用了高耐磨的聚氨酯材料。聚甲醛材料制作的滑雪杖在实现所需机械强度的同时降低了摩擦力，提升了运动员的滑雪速度 [9]。当今世界上最好的弓由碳纤维复合材料制成，其弓臂能承受50 kg/mm2的弯曲应力，射出的箭可获得最大初速度和最遠射程，对提升运动员成绩有很大的帮助 [25]。

四、结语

综上所述，复合材料较普通材料而言，性能更加优越，不仅密度小、力学性能好、可设计性强，且绿色环保，符合我国可持续发展的理念。复合材料逐渐被大多运动爱好者所接受和喜爱，并逐渐应用在体育器材的制造生产中。随着合成与生产技术的不断发展，复合材料将具有广阔的市场前景。

现对该领域提出如下的研究展望：

（1）随着水上项目的增多，水上运动设施的制造对新型复合材料的需求也越来越大，研究者可进一步探索碳纤维增强复合材料和生物基聚合纤维复合材料，其在水上用品领域的应用前景非常广阔。

（2）用于制造球类的复合材料除了需要具备耐磨损、耐冲击、高强度的特点以外，还需要具备良好的减震吸能效果，以确保使用者的舒适度和安全，避免造成肌肉损伤等问题。

（3）挥发有毒气体的塑胶跑道危害着人们的身体健康和环境，需要进一步对原料和施工方式做出改进，研发出低成本且可生物降解的塑胶材料，对解决大量跑道垃圾的问题大有好处。

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（责任编辑：邹宇铭）

作者简介：张育新（1978-），男，博士，重庆大学材料学院教授，研究方向：功能材料合成与应用;张悦（1999-），女，本科在读，重庆大学材料学院;向祖兵（1982-），男，博士，重庆大学体育学院讲师，研究方向：休闲与社会体育。