高性能复合材料体育器材对竞技体育发展影响分析

权 华

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安710300)

随着我国社会经济的不断发展，群众对体育器材、装备的要求也越来越高，使用新型材料加工而成的体育装备市场份额也不断提升。不断开发新型材料使之与体育器械、装备的发展需求相匹配，已经具备了充分的经济基础。以高分子材料为代表的体育器材新型加工材料，具有典型的质量轻、机械性能良好、耐腐蚀性强、设计自由度高、可以进行复杂工艺的加工成型等特征，被西方发达国家广泛应用于各种类型体育器材的加工与设计领域。我国应用新型材料进行体育器材加工的时间较短，相关的研究也较为匮乏［1］。本文基于此背景，对体育装备先进材料的使用及其对竞技体育发展的价值进行了梳理，总结了不同运动领域所使用的新型体育先进材料类型与性能。

1 体育装备材料发展历程

进入21 世纪后，各类型高新材料如钛合金、镁合金以及碳纤维复合材料等逐渐开始应用于各体育器材、装备。因具备优良的力学特征，新型材料在机械性能、物理特征等方面表现异常良好。由于新型材料普遍具备高强度、重量轻、耐腐蚀、韧性好、易于加工成型等特征，显著提升了体育装备、器材等的综合性能［2］。碳纤维复合材料、镁基材料、石墨烯材料等逐渐被现代体育器材、装备设计与加工领域认可。以运动场地建设领域为例，当前可用于铺设运动场地的硅橡胶材料已经逐渐被开发出5000 多种，可以广泛应用于各类型跑道和运动、训练场地的铺设，其产量与铺设面积均获得飞速发展。

2 体育装备先进材料分类

2.1 碳纤维复合材料

碳纤维（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）材料力学性能极为优异，相对密度约为一般钢材材料的1/4；抗拉强度远高于一般钢材，基本都在3500MPa 以上；抗拉弹性模量约为23000MPa ～43000MPa，同样远高于一般钢材材料；CFRP 比强度（强度/密度）可高达2000MPa/(g/cm3)以上，远高于一般A3 钢的59MPa/（g/cm3）［3］。碳基复合材料可被广泛应用于各类型球拍、自行车、F1 赛车、划桨等运动器材与装备领域。一般碳纤维复合材料制备流程如图1 所示。

图1 不同碳纤维材料成型方法Fig. 1 Different carbon fiber material forming methods

2.2 石墨烯及其复合材料

石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来，由C 原子以sp² 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料（图2）。石墨烯材料是当前自然界最薄的材料，仅有一层原子厚；同时也是强度最高的材料，其断裂强度高于最佳钢材材料的200 倍［4］。蒙钊等在氧化石墨烯纤维中添加一定量的酚醛树脂，利用无定形碳化加工使新生成的无定形碳存在于石墨烯片层之间，从而弥补了纤维内部的部分缺陷，保证了复合材料纤维的致密化［5］。利用该方法加工而成的石墨烯基碳纤维复合材料性能进一步增强，拉伸强度、断裂伸长率分别可高达1.45 GPa、1.8 %，较一般纯石墨烯材料提高了113 %和38 %；杨氏模量达到了120 GPa 以上［5］。氧化后的石墨烯复合材料可以被广泛应用于各类型体育器械如竞速运动头盔、撑杆跳运动中的撑杆、羽毛球网球运动中的球拍等领域，能够为使用人员提供超高的防护性能、支撑性能，大大降低使用过程中人体的能量损耗。

图2 石墨烯材料内部结构Fig. 2 Internal structure of graphene material

2.3 纳米材料

纳米材料（nanophase materials）是以尺寸小于100nm（0.1～100nm）为主要衡量标准、具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维超细颗粒构成材料的总称［6］。纳米材料这一概念最早形成于20 世纪80 年代，由于纳米材料具有优良的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，因而具备了一般材料无法比拟的光、电、磁、热、力学、机械等性能。在与体育器材加工领域接触后，迅速被广泛应用于各类型球拍、新型竞技服装以及运动损伤防护器材皮肤接触面等领域。按照材料形态区分，几种典型的纳米材料及其特性如图3 所示。

图3 典型纳米材料及其特性Fig. 3 Typical nanomaterials and their properties

2.4 其他材料

除以上材料外，在体育器材加工领域应用较多的新型材料有纺织复合材料、生物工程塑料、牛顿流体材料等。其中纺织复合材料芳纶等除具有强度模量高、耐磨以及抗老化能力强外，还具有远高于一般织物的抗冲击性能，在某些冰上运动如滑冰、冰球运动中，使用芳纶等加工而成的运动员服装具备防刺、防割等属性，能够有效防止运动竞技过程中发生意外风险。生物工程塑料具备优良的力学性能和氧气透过率，利用长纤维对生物工程塑料进行改性之后，能够被广泛应用于各类型防护用具、服饰、鞋袜等的加工当中。利用生物工程塑料加工而成的体育器材，同时具备强度高、质量轻、韧性强等特点，全面提高了竞技运动员的运动安全性，同时也能够显著提升运动员竞技水平。

3 先进材料体育装备对竞技体育的影响

3.1 碳纤维材料对自行车运动的影响

传统竞技自行车多使用铝合金等材料加工而成，具有自重大、骑行输出力小等劣势，利用碳纤维等材料加工而成的竞技赛车具有车架结构易成型、轻量化、强度高等优势，能够显著降低运动员竞技过程中因自行车车重带来的额外体力消耗，同时由于车身整体刚性高，利用碳纤维材料加工而成的零部件能够显著降低竞技过程中因意外碰撞事故造成车身损坏进而影响竞技成绩的现象。竞技用自行车碳纤维零部件及主要性能优化情况见表1。

1989 年，自行车运动员葛赛格· 雷蒙斯利用碳基增强复合材料对原车把手进行改装，增加了一具备空气动力学优势的垫充管，从而获得了更小的空气阻力，大幅提升了运动竞技成绩［7］；梁利平等利用碳纤维增强复合材料对车轮辐数进行优化，获得了最低辐数为3 但是整体强度极高且自重大幅降低的新型自行车，有效提高了运动员骑行输出力［8］；孙晋媛利用新型材料对竞技自行车的制动部进行加工，替换掉传统的金属磨盘等部件，大幅提升了竞技自行车的制动性能和耐磨性能［9］。1964年东京奥运会室内自行车400 米追逐赛中，Delas 使用5分5 秒完成比赛，此时所使用的自行车已经是当时各项科技最为先进的金属材质竞技自行车；而到了1992 年巴塞罗那奥运会同样的比赛项目中，博斯德曼使用全碳纤维材质加工而成的新型自行车，仅用了3 分22 秒时间便完成了竞技［10］。可见，先进材料显然能够大幅提升自行车运动员的竞技水平。

3.2 石墨烯复合材料对拍、杆等类运动的影响

石墨烯及其复合材料在球拍、球杆类运动领域运用主要集中在羽毛球球拍、网球球拍、高尔夫球杆、棒球、滑雪杆等领域。以网球拍为例。最初的网球拍由上好的橄榄木、枫木等材料加工而成，彼时的男性网球运动员平均击球速度最高不过120Kin 左右。随着先进材料在网球领域的不断使用，一种由聚氨酯芯、84% 石墨、12%的纯氧化铝陶瓷、4% 的其他纤维材料加工而成网球拍问世［11］。该球拍中的石墨大幅提高了网球拍整体强度与轻度（仅310g 左右），可降低拍头歪斜程度，进而增加网球运动中常见的“甜蜜点”现象发生几率。同时该球拍大幅降低了击球时的球拍震颤现象，降低对人体的冲击。在使用该新型网球拍条件下，一般男性网球运动员平均击球速度可达160Kin，对人体冲击力约等于瞬间举起75公斤重物。

3.3 纳米材料对运动服饰的影响

使用纳米材料加工而成的纺织品，不会对纺织物本身的透气型和手感产生任何负面影响，因而被广泛应用于水上运动、冰上运动等的服饰加工领域。通过纳米材料改性，原纺织面料能够具备防水、透气、保暖等多种特性。同时，由于不同纳米材料具有不同的性能延展性，因而可以利用纳米材料对某些传统服饰易造成感染、霉变的部位如腋下、臀部、腰部等，使运动衣或服饰在冬季能够保暖、防水、耐洗涤，夏季能够抗菌、防霉变、抵御病毒，进而全面提升运动员的运动舒适性和安全性。

4 结语

体育器材、装备的生产与加工，需要在充分考虑运动人员受负荷身体关节、韧带及组织物化结构的基础上，利用力学、材料学以及机械原理对器材、装备的结构与加工材料进行设计和选择，从而充分保证体育装备的舒适性和性能。本文对体育器材、装备中先进材料的性能和使用情况进行全面梳理，旨在帮助材料及体育领域开发更多能够提升运动员竞技水平和运动舒适性的先进材料。