碳纤维增强塑料在体育运动器材中应用研究

刘利锋

( 西安培华学院，陕西西安710000)

近年来，随着人们生活水平的逐渐提高，全民健康意识也在不断增强，并且，随着我国经济水平和科技实力的进步，我国的体育事业也在快速地发展。在人们的休闲娱乐中，越来越多的人开始通过各种各样的活动参与到运动中去［1］。在此过程中，不可避免的需要使用各种所需的体育器材。由于大多数的体育运动器材以塑料或金属材料为主，普遍存在着强度低、质量大、耐磨性能以及抗腐蚀能力差以及安全性能不高等问题，因此，制备力学性能良好、轻便而且安全的新型体育运动器材并逐渐推广至大众的视野将对体育事业的发展带来巨大的推动作用［2-3］。目前，应用于体育运动器材的新型材料主要有碳材料［4-6］（碳纤维、活性碳纤维、气相生长碳纤维、金刚石薄膜、石墨层间化合物、碳微球等）、纤维增强复合材料（碳纤维、活性碳纤维、气相生长碳纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、硼纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维等）［7-10］、新型合金材料（镁合金、铝合金和钛合金等）以及其他的新型复合材料（生物工程塑料、纺织复合材料、纳米材料等）［11-15］。其中，碳纤维增强塑料在体育运动器材的设计和制备中具有广泛的应用，本文将对碳纤维增强塑料在体育运动器材中的应用展开论述。

1 碳纤维增强塑料概述

碳纤维增强塑料属于碳纤维与各种树脂通过各种工艺复合而成的复合材料，其中，碳纤维是以粘胶丝、聚丙烯腈纤维和沥青丝等为原料在1000～3000 ℃条件下经过碳化而成。并且分为高强型和高模量型两种。碳纤维的直径约为7μm，进行表面处理后可与树脂材料进行复合从而有效提高塑料的力学性能和物理性能，其制备流程如图1 所示。

图1 碳纤维增强塑料制备流程图Fig. 1 The preparation flow chart of carbon fiber reinforced plastics

1.1 碳纤维增强塑料分类

碳纤维增强塑料分为热塑性和热固性两种，因树脂基底不同，其反应类型和材料性能存在着较大的差异。热塑性碳纤维增强塑料在加工过程中属于结晶和玻璃化转变，而热固性碳纤维增强塑料在加工过程中发生的是交联和固化反应。由碳纤维增强热塑性塑料制作的物件具有密度小、力学性能优异、可回收重复利用等优点，在军工、机械、医疗、航空航天等领域都有着广泛的应用前景。碳纤维增强热塑性塑料制备的物件同样具有较优异的力学性能，耐腐蚀、耐热抗寒，而且成型工艺技术已成熟。目前，碳纤维增强热塑性塑料原料主要有热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚和聚醚醚酮等；碳纤维增强热固性塑料原料主要有环氧树脂、热固性聚酰亚胺树脂、双马来聚酰亚胺树脂、酚醛树脂以及不饱和聚酯等。

1.2 碳纤维增强塑料的应用优势

传统的体育运动器材所使用的的材料一般为金属、塑料、木材等。由于各种环境因素的影响，不可避免的会造成器材的老化、腐蚀与损坏。相对于碳纤维增强塑料所制备的体育运动器材来说，由于诸多优点，正逐步推广至大众的视野并受到越来越多的人的青睐［10,16-19］。其具体的应用优势主要有：

（1）质量轻

在体育锻炼或者比赛中，诸如球拍类、杆和棒类以及板类等运动器材的质量越是轻便，越会受到广泛的青睐。使用质量较轻的体育器材，在锻炼或比赛过程中，不仅可以提高器材的操作性能，也有利于使用者的发挥。对于赛车和帆船等这些借助大量动力的的竞技类器材来说，质量轻便，可减少使用过程中的阻力，也可节约运动员的能耗，从而提高使用效率。因此，使用质量轻便的碳纤维增强塑料制备的运动体育器材具有巨大的优势。

（2）力学性能优异

碳纤维具有直径小、密度小、结构稳定、模量和强度高的特点，据报道，由环氧树脂所制备的碳纤维增强塑料耐疲劳特性比金属材料以及木材等要高数倍，非常适宜用于体育运动器材的制备。

（3）耐腐蚀、抗寒耐高温

由于碳纤维增强塑料的原料为碳纤维和树脂，在酸碱盐的各种环境下均不易发生化学反应，因此具有较强的耐腐蚀性能；并且碳纤维增强塑料可在-50～180 ℃的温度范围内使用，热膨胀系数近乎为“0”，具有较好的抗寒耐高温性能。

（4）安全、环保

碳纤维增强塑料所制备的体育运动器材，由于碳纤维的作用，基体不易发生变形和破损，即使有破损的地方，也不会继续发生大面积的连锁反应，具有良好的破损安全性能。碳纤维增强热塑性塑料由于其可塑性强的特点，可以回收进行二次加工使用。

2 碳纤维增强塑料在体育运动器材上的运用

目前，体育运动器材的制备材料层出不穷，但其品质总是参差不齐。在体育运动中，器材的质量往往影响着使用者的发挥水平和实力，因此良好的触感和稳定性至关重要。由于碳纤维增强塑料具有质量轻、力学性能优异、安全环保等诸多优点，在目前的体育运动器材的制备中已较为普遍。其类型主要分为：板类、球类、球拍类、杆类和棒类以及其他［15-22］（见表1）。

表1 碳纤维增强塑料在体育运动器材中应用实例Table 1 Examples of application of carbon fiber reinforced plastics in sports equipment

2.1 板类

板类体育运动器材主要包括滑雪板、冲浪板、滑翔机翼板、帆船板等。在板类体育运动器材使用过程中，如滑雪板和冲浪板，不仅需要承受使用者的的身体重量，还会在运动中与地面或水面有长时间的接触。因此，这就要求这些板类体育运动器材材料具有轻巧的特性，而且需要有较高的减震性能、稳定性能以及良好的耐摩擦性能。碳纤维增强塑料中的芳纶纤维增强塑料所制成的具有夹心结构的板材，具有良好的稳定性和耐摩擦性等优势，充分满足其特性要求。对于滑翔机翼板、帆船板等这些用于比赛项目的器材来说，质轻、稳定性好的特性有助于运动员获得更好的成绩。因此，目前采用模压成型的工艺可将密度低、稳定性良好的碳纤维增强塑料用于制作滑翔机翼板、帆船板等，具有广泛的前景［2］。

2.2 球和球拍类

众所周知，我国正在大力发展体育事业。目前，球类和球拍类的市场可以说非常的巨大。而在球类的框架制作中，由于碳纤维增强塑料具有良好的阻尼性和减震性能，可以大大地提高其舒适性并降低变形比例，非常适用于球类的框架制作。而对于羽毛球拍和网球拍来说，在使用过程中，面对高速球体的冲击，其受力情况相当复杂，这就要求框架的制作材料具有良好的综合性能。并且，为了使用者操作方便，质量轻且强度高的材质更加适用于球拍的制作。碳纤维增强塑料所制备的球拍，通过不同的工艺和设计不仅可以提高材质的扭曲刚性和强度，还可以使球拍框具有高比强和高比模的性能，在使用过程中保持良好的减震性能而不易变形，并具有良好的方向性。因此，近年来，国内外市场中所销售的高档球拍制作材料大多为碳纤维增强塑料所制备。

2.3 杆和棒类

早在1972 年，高尔夫球杆的制作首次使用碳纤维复合材料。碳纤维增强塑料所制作的高尔夫球杆，相比于传统的柿木棒头，具有更好的耐冲击性能，并且具有弹性好、强度高、密度小的特点。据报道，目前所使用的性能较好的高尔夫球杆和垒球棒所使用的材料大多是碳纤维增强塑料。此外，诸如撑杆、钓鱼竿等杆类在制作时，要求材料具有较大的弹性、质轻以及较高的拉伸强度，因此，含碳量为30%～90% 的碳纤维增强塑料可作为最佳的制备材料。

2.4 其他

由于碳纤维增强塑料在多方面都具有优异的性能，因此，在体育运动器材方面的应用层出不穷。近年来，在弓箭、自行车、登山绳索、溜冰鞋轮子、滑梯、头盔等的制备中都有广泛的应用。相信在未来的发展中，将会有更多的体育器材产品来满足运动者的需求。

3 结语

由于我国人口众多，并且随着全民健康意识的逐渐提高，每年体育运动器材的需求量不仅越来越大，对其性能的要求也在逐渐提高。由于碳纤维增强塑料具有质量轻、强度高、耐磨损、阻尼性能好、耐腐蚀、抗寒耐高温、价格低且环保等众多优点，是一种综合性能优异的增强塑料。并且，可根据不同的体育运动器材形状和性能要求，对纤维与塑料的比例进行调节并可选择合适的成型工艺增强器材的性能，因此，纤维增强塑料在体育运动器材领域将会具有广泛的应用。