高力学性能高分子材料与竞技体育融合发展分析

李 萌

（西安航空职业技术学院 ，陕西西安710089）

高分子材料是一种由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括碳纤维、聚氨酯、橡胶等。在材料技术高速发展的时代，高分子材料与其他材料一样在人类生产生活、生产中得到了广泛应用。竞技体育指的是在个人或群体体力、心智等充分挖掘与发展的基础上，以创造“更快、更高、更强”的杰出运动成绩为首要目标的一项运动过程。竞技水准的提高与运动员所用到的体育设备，如设备如撑杆跳运动中的撑杆、自行车运动所使用的车辆、各类型运动鞋类等的性能高度相关。随着高机械性能高分子材料与竞技体育融合程度的提升，高分子材料对竞技体育的影响越来越深［1］。为此，本文对二者之间的融合发展路径进行了解读，旨在理顺高分子材料的性能优势，促使更多性能优异的高分子材料应用到竞技体育项目中。

1 高机械性能高分子材料性能应用特征

1.1 抗张强度

抗张强度，特指材料的抗拉强度、拉断强度，因此又被称作拉伸强度，是表述竞技体育装备、设施所使用的高分子材料机械性能的一项重要指标。通常情况下抗张强度反映了材料的断裂抗力，该值越高则材料越不易发生拉断，在应用于竞技体育器材如滑雪板、帆船桅杆时，该器材或部分零部件的整体性越强，越不容易出现断裂［2］。抗张强度计算公式如下：

其中，S 表示抗张强度，单位为kN/m；F 表示平均抗张力，单位为N；LW表示某种金属或非金属材料试样的横截面积，单位为mm。常见高分子材料的抗张强度见表1。

与一般金属材料如铝合金3A21（ 抗拉强度＜167MPa）相比，表1 所示的常见高分子材料显然并不具备充分的抗张强度优势，因此部分学者逐渐开始将各种高分子材料进行复合加工，试图得到性能更加优越的高分子复合材料。蒋雯［3］对一种聚四氟乙烯（PTFE）材料为基体的“三元高分子复合材料”的磨损率、抗张强度以及抗冲击强度的变化规律进行了分析，认为PTFE材料力学性能的将会随填料总数（除基体树脂外的其他材料）的增加而极速下降，在填料质量百分比达到34%之后，PTFE 材料综合力学性能降速逐渐放缓。孟志新等［4］利用化学气相沉积等表面处理方法，对连续纤维增韧陶瓷基复合材料的拉伸性能进行了实验分析，认为在碳纤维复合材料表面沉积热解炭会降低碳纤维复合材料的拉伸性能和强度稳定性。可见，高分子复合材料想要达到最佳的抗张强度需要根据不同材料的性质进行不同的质量配比。当前碳纤维复合材料在最佳配比状态下的抗拉强度已经超过了280 Mpa、比抗拉强度160；弹性模量22GPa，比弹性模量124［5］。高分子复合材料的综合力学性能已经达到或超过了一般合金材料。

表1 常见高分子材料抗张强度Table 1 Tensile strength of common polymer materials

1.2 抗弯强度

抗弯强度指的是竞技体育中运用高分子材料抵抗弯曲不断裂的能力，主要运用于对陶瓷及其他高分子复合材料部分脆性材料的强度的考察［6］。三点式测试抗弯强度计算公式如下：

其中，R 表示抗弯强度，单位kN/mm2；F 表示破坏载荷，单位kN；L、b、h 分别表示跨距、宽度以及厚度，单位㎜。根据不同的高分子材料抗弯强度（应力-应变）曲线，可以将高分子材料分为六大类（图1）。

图1 根据抗弯强度曲线划分高分子材料Fig. 1 Polymer materials are divided according to the curve of flexural strength

其中，硬而脆的高分子材料在不断加大应力的作用下，所形成的应变力非常小，且硬而脆的高分子材料在达到屈服点前出现断裂现象，呈现高模量、高抗张强度和冲击强度较差等特征；当硬而强的高分子材料处于应力持续加强的条件下，产生了一定程度的应变，并在屈服点的周围出现了断裂。同时，在应力的影响下形成较高的模量与抗张力；强而韧的高分子材料具有强抗张与高模量的应用特征，在承受应力不断增强、达到屈服点的情况下，没有出现断裂情况，且专列延伸率较大，最后出现的断裂情况符合韧性断裂的特征；软而韧高分子材料的优势特征有低模量、断裂强度高、屈服点较低、延伸率较大等，能够承受较大的应力，最长应用于对形变有较高要求的部件制备中；软而弱高分子材料具有模量低、屈服点低的特征，但是在断裂延伸方面有较好的表现，此类高分子材料常用于天然橡胶的制备中；弱而脆的高分子材料通常属于低聚物，不能直接引入器材的加工过程中。

1.3 抗冲击强度

抗冲击强度能够直接反映某种体育器械所用到的高分子材料的抵抗冲击力［7］。测量高分子复合材料抗冲击强度的方法主要有简支梁冲击、悬臂梁冲击和落球冲击等。三种测试方法可以根据测试试样规格、冲击方式以及缺口类型等拓展出无缺口冲击、低温冲击、高温冲击等测试方法。利用简支梁冲击、悬臂梁冲击进行高分子材料抗冲击强度测试时的公式可用下式表示：

其中，a 表示抗冲击强度，单位为kJ/m2；A 表示高分子材料试样吸收的冲击量，单位J；b、d 分别代表试样宽度和厚度，单位㎜。在竞技体育领域一些常见的高分子复合材料悬臂梁缺口抗冲击强度见表2。

表2 体育领域常见高分子复合材料抗冲击强度Table 2 Impact stregth of common polmer composites in sports fieldmp

除表2 中提到的材料外，TPE 中的具有代表的品种SBS 已经广泛应用在各种竞技运动鞋类产品的制作工艺中并取代了大部分橡胶。该类型材料具有耐磨、防裂、防软和抗滑性，对于某些对鞋类抗震性能、防滑性能要求较高且属于剧烈运动的项目如足篮排球等具有较高的性能优势。同时，该材料较一般硫化橡胶更轻，颜色也更加鲜艳。

2 高机械性能高分子材料对竞技体育的影响分析

2.1 非牛顿流体

罗筱［8］对非牛顿流体的概念进行了总结并对非牛顿流体在体育防护用具中的应用情况进行了分析，认为非牛顿流体的“剪切增稠”是其最重要的特征，与其他纤维材料进行复合以后，能够大幅提升体育运动防护装备的防刺、抗低速冲击性能。利用非牛顿流体材料加工而成的篮球鞋（以匹克“态极”为代表）与一般篮球鞋相比，具有更好的自适应特征，在运动员处于低速状态下时，鞋底能够为运动员提供柔软而舒适的脚感，随着运动员呈现不同的运动状态如跑、跳、急停时，鞋子的中底材料又能够为运动员提供更大的弹性模量，此时鞋子的响应、回弹和支撑性能更佳。利用非牛顿流体加工而成的“态极”系列篮球鞋鞋垫能够为运动员带来具有普通鞋垫8倍的缓震效果，有效减少了回弹力对运动员膝盖的伤害。

2.2 高性能碳纤维复合材料

碳纤维复合材料具有高于一般金属、木质材料的比强度、比模量，自1970 年碳纤维商品化以来，越来越多的体育项目开始使用碳纤维材料用于某些高强度器材或高结构损害、高承受能力部件的加工中。如在F1 赛车运动中大量应用轻量化车辆部件、碳纤维安全头盔等挽救了许多生命。高性能碳纤维复合材料主要竞技运动产品类型见表3。

表3 碳纤维复合材料主要竞技体育项目Table 3 Main copetitive common polmer composites

2.2.1 高尔夫运动

碳纤维复合材料加工而成的高尔夫球杆是当前高尔夫竞技体育使用的主要新材料。该类型球杆质量较金属杆、木杆更轻，在既定体能和功率下能够获得更高的球杆速度、击球速度，击发准确度更容易控制。2018 年10月Graphite Design 公司推出了Tour AD 系列高尔夫球杆，该球杆采用了东丽T1100G 碳纤维预浸料和先进的纳米合金技术，在原有一般碳纤维球杆的加工基础上未增加多余纤维用量，但大幅提高了碳纤维高尔夫球杆的结构刚度。该产品已经成为美国公开赛（US OPEN）及高端体育代表产品。

2.2.2 网球拍

网球拍最初由木材或金属材质加工而成，由型球拍容易损怀同时不能承受较高的网线张力，加上运动员在使用该类型球拍击球时震动过于厉害，因此对于控球性要求更高的网球运动员而言，这种硬度较低的材料已经逐渐无法满足其对更高竞技水平的追求。碳纤维网球拍具有较轻的重量，在力学方面能够带来更强的抗冲击性，同一运动员使用过程中能够获得较金属拍更好的击球手感。碳纤维球拍中的树脂基质量占比约在38%～57%，树脂含量较高会使得球拍的性能下降。

2.2.3 桅杆

在设计现代水上运动中的桅杆时，需要主要考虑桅杆在该项目中的承受压缩应力，同时桅杆需要向帆船运行的反向有一定的弧度，对桅杆的航行性能进行优化。因此，桅杆对向前的弯曲应力要求较高，一旦弯曲应力超过材料的自身承受范围很容易发生折断。碳纤维材料具备重量轻、硬度大、弯曲能力强等特性，因而在现代桅杆加工中，已经逐渐将碳纤维复合材料取代了原有的木质、金属质桅杆。碳纤维复合材料桅杆能够增大船的扶正力矩、减小竞技过程中船体的纵摇，在大幅提升运动员竞技水平的同时帮助运动员获得更加令人舒服的航行速度。

2.3 聚氨酯

聚氨酯面料即氨纶面料，基于聚氨酯材料有较高的机械强度、柔软性等特征，利用聚氨酯材料加工而成的氨纶面料具有优良的防风、防水、耐磨以及抗老化性能，在于其他材料进行混合以后可以用于加工泳衣、登山服、耐高压潜水服等。由于一般聚氨酯面料加工而成的衣服透气性能通常不佳，因而部分厂家采用底胶（聚对苯二甲酸乙二酯甲氨纶）+ 面胶涂层（聚碳酸酯型氨脂膜）的方法对氨纶面料进行加工，得到了能同时做到透气、速干、防水、高弹性的新型面料，被广泛应用于职业游泳竞技体育中，帮助运动员提升了运动舒适性、降低了游泳时对人体及衣物的阻力，有助于运动员提升竞技成绩。

3 结语

综上，本文针对高机械性能高分子材料与竞技体育融合发展进行了分析，首先对高机械性能高分子材料性能与优势进行分析，认为与一般体育器械用材料相比，高分子材料在抗张强度、抗弯强度、抗冲击强度等方面具有显著优势，其次以非牛顿流体材料、碳纤维复合材料以及聚氨酯材料为例，对高分子材料与竞技体育的融合发展进行了详细解读。