新材料对运动竞技水平的提升及其在体育装备产业中的发展研究

王宏

摘要：随着现代材料科学的飞速发展，使用新材料加工而成的体育装备已经逐渐成为保护运动人员人身安全、提升装备使用人员运动体验以及提高职业运动员竞技成绩的重要推动力。文章基于新材料对运动竞技水平的提升以及新材料在当前体育装备产业中的应用前景进行了综合论述。文章首先对新材料技术在竞技体育中的应用以及2012年至今我国体育产业增加值与增速进行了数据统计，以表明体育产业的发展对新材料的需求与要求的提高;其次对新材料体育装备在体育竞技过程中对竞技水平的提升进行了分析，以羽毛球、冰球、田径装备等为例进行了详细解读，以证明体育产业及竞技体育对新材料的依赖性;最后对化工新材料在体育装备产业中的发展及瓶颈等进行了预测与分析。

关键词：新材料;体育;竞技;性能提升;体育装备产业

中图分类号：T0050.4⁺3 文献标识码：A 文章编号：1001—5922（2021）01—0146—05

0引言

随着现代体育的发展以及全球经济水平的普遍提升，体育产业已经逐渐成为国家或地区经济产业体系中的支柱产业。体育产业覆盖范围极广，从体育竞技赛事、体育教育到体育装备生产、体育用材料制备等，基本覆盖了现代国民经济体系中第一至第三产业。据有关部门统计，2019年美国体育产业产值达到4600亿美元，约占总产值的6%;2019年我国体育产业总产值由2017年的接近2万亿元人民币增长到近2.6万亿元人民币，其中体育装备业的贡献率超过60%。可见，对于新材料在体育装备产业中的应用，已经具备了较为扎实的市场基础。

通过对体育装备所使用的材料进行优化，从而达到提升竞技成绩、保护运动员人身安全等目的由来已久。最典型的例子如鲨鱼皮泳衣、碳纤维球拍、非牛顿流体护具等，均是利用高科技、新材料从而达到提升运动竞技水平、降低运动过程中的能量消耗或更好地为运动员提供安全防护等目的。自进入21世纪以来，高科技新材料在体育装备产业，尤其高端体育装备生产和制备过程中的应用越来越广泛，由此带动了一大批体育运动爱好者以及职业运动员采用新材料体育装备代替了传统的体育运动装备。新材料的出现，大大提升了体育装备的专业性，人们对新材料体育装备的认可程度越来越高。

1概述

1.1新材料技术对竞技体育发展的作用

1.1.1直接应用

在专业体育运动员的日常用品及运动器材的生产制造中可将新材料技术直接与其融合。目前现有的非金属纤维（Nonmetallie fiber）、碳纤维（Carbon Fi.ber）、硼纤维（Boron fiber）、新陶瓷材料（New ce.ramie Material）等科技新材料都已加人体育用品的生产制造中。如在运动器械中的使用：自行车、跳高杆、球杆、羽毛球拍、等。

1.1.2间接应用

新型科技材料在体育场及体育设备中的应用也间接性的推动了体育运动的发展。如游泳池消毒设备，对水质监控有一定的需求，在与新型科技材料融合后，能够大幅度提升其性能和质量，同时也提高了运动员在使用时的安全系数。促进了运动员潜力的发挥，并增强运动员的自我认同感，最终取得更好的运动成绩。

1.2新材料技术在当代体育装备产业中的应用前景

在1990年成功举办北京亚运会后，我国的体育产业随之蓬勃发展。为促进国民的体育消费，国务院于2014年印发了《关于加快发展体育产业促进体育消费的若干意见》，使我国体育行业由举国体制逐步转向全民健身，进一步拓展了体育市场化规模。2015年，我国成功申办2022年冬奥会时承诺将会实现“3亿人上冰雪”。随即，在2016年国家体育总局、教育部、国家发展和改革委员会联合印发了《冰雪运动发展规划（2016-2025年）》，旨在重点推动冬季运动大众化，进一步促使我国体育产业的消费升级。2018-2022年我国体育产业增加值与增速预测详如图1所示。

2新材料体育装备在体育竞技过程中对竞技水平的提升

化学新材料帮助体育装备的性能大幅度提高，着重将材料多功能化、材质轻薄化、结构稳定化，使运动装备的实际应用更贴切运动员的需要。下文将结合典型案例来分析化学新材料应用的重要性。

2.1羽毛球拍及球线

羽毛球拍经过四个时期的发展变化（木质拍、金属拍、钛合金拍、碳材料拍），现阶段实际应用较多的主要为钛合金拍和碳材料拍（后文简称为碳拍）。碳拍的整体结构为中空结构，其外框架主要应用的材料为树脂基增强碳纤维、多层石墨烯增强树脂等复合型材料，碳纤维为T200至T300级。框架内主要使用发泡聚烯烃材料进行填充，进一步增强球拍整体框架的韧性及弹性。碳拍的拍柄和拍杆与框架使用的化学新材料较为相似，手胶部分使用了大量的聚氨酯弹性体（Polyurethane elastomer），进一步增强碳拍使用过程中的舒适度与摩擦力。化学新材料实现羽毛球拍的轻质化。碳拍中应用的化工新材料如图2所示。

羽毛球拍中球线从最原始的羊肠线发展到尼龙纤维线和复合丝线，绑线的磅数也从原始階段的89N左右升至约124.6N以上。这就使得对球拍穿线孔的要求逐步提升，聚氨酯树脂（Polyurethane）、聚酯树脂（polyester resin）已成为穿线孔的主要化工新材料，提高了穿线孔的回弹性能，并在击球时削弱球线和穿线孔之间力的相互作用，能够提高球线的使用寿命，减少球线磨损度。羽毛球拍质及性能改善过程详如表1所示。

根据上文对羽毛球拍4个阶段的研究对比，对其耐用度、舒适度、击球速度等性能进行了分析对比（如图3所示）。碳拍因制造过程中加入了大量的化工新材料，所以在弹性、舒适性等方面均占有优势，但在耐用度方面还是不及金属拍和木拍，原因在于碳拍框架所使用的复合材料抗撞击性能略低于钛合金和竹质材料，在受到较强力的作用时极易断裂。

我国因人口众多，以及国家政策的扶持，一跃成为世界最大的羽毛球拍消费国，且生产量稳步上升。2019年，我国累计消耗碳纤维约500t，环氧树脂增强碳纤维约900t。随着全民健身的理念逐渐深人人心，我国羽毛球拍的销量依旧会持续性增长，同步带动碳纤维复合材料市场的不断扩充。

2.2冰球运动装备

化工新材料在冰雪极限运动装备中也常常得以体现与应用。以冰球装备为例：冰球运动员在赛事前，进行的多为身体多抗的体能训练，所以对各类装备具有的抗冲击性能要求较高，且装备也应同时具备良好的缓冲性能及柔韧性。像护肘、护肩、护膝等主要都是由发泡聚烯烃制造而成，且外层包有聚氨酯和PTT纤维，达成了对韧性和缓冲性的两大需求。护目镜则选用有机玻璃制成，充分体现了高透明度且不易结雾的特点。冰球杆由1层化工材料制成，由内向外来说：第2层的环氧复合发泡材料，削弱了球杆与球撞击时的震动。第2层是低密度聚酰亚胺材料，这种化工新材料有助于提高球杆与杆头的柔韧性。第3层是碳纤维层，主要用来增强球杆的弹性。第4层则用碳纤维树脂，作为整体球杆的外壳。

2.3田径运动装备

田径赛事中所应用的装备也与化工新材料糅合多年。以标枪和撑杆跳高为例，在与化工新材料结合后，赛事成绩大幅度提升。标枪制造所使用的原料在经历木、竹、铝合金、聚氯乙烯后也进人了碳材料阶段，由此种复合型材料生产出的标枪具有良好的重心稳定性，使同一批次生产出的标枪重心极少发生偏移，从而提高标枪的飞行性能。撑杆跳赛事用杆由竹竿、木杆逐步发展为玻纤增强复合材料杆，此化工新材料提升了杆的弹性，随后带动了运动员技术动作的不断演变，催生出更加优异的成绩。标枪和撑杆跳高的男子世界纪录变化如图4所示。

2017年我国各类化工新材料的用量为4000t左右，基本可以实现材料自给自足，大多都用于田径装备，如各类跑鞋、跳鞋等。近些年来，我国各类体育项举行频繁，其中田径类更是备受喜爱，在2017年我国举办了各类马拉松赛事近1200场次，这很大程度上刺激了消费，促进了运动鞋、运动服等上的消费。将来，人们的消费水平不断提高，高端运动品牌的消费将会增长，这将会对化工新材料的需求带来增加。

3新材料在体育装备产业中的发展预测与瓶颈分析

3.1发展预测

全球范围内，各种化工新材料已经慢慢被应用于各类体育设备当中，而其应用也已经经历了十几年的发展历程，已经形成了独立的产业体系。当前，在我国化工新材料的生产应用也在逐步提升;2017年在体育领域，我国共消费各类化工新材料130t左右，其中包含服装和鞋类，不包含场馆建设类;在化工新材料的消费中，体育装备正在凸显其重要地位。

在体育装备中，化工新材料最早被应用于竞技体育中，因为化工新材料需要具有附加值高的特点才能应用于体育装备的制造。随着科技的发展，技术也越来越成熟，再加上装备的价格也有所下降，化工新材料就慢慢应用于大众体育装备中。化工新材料在体育装备中的应用可以划分为如图5所示金字塔图，大众体育中普及的化工新材料是位于金字塔最底层的，处于在大众体育装备中推广的是位于金字塔中间部分的。因为价格原因，距离大众体育比较远的是位于金字塔顶端的，这些材料只用于高端体育设备中，是普通大众所消费不起的。在将来，在体育装备中化工新材料的应用会逐渐发生变化，位于金字塔顶端的部分材料可能会下沉到中间，而位于金字塔中间的可能会移动到低端，会逐渐呈下沉趋势。由此判断，金字塔中间层的材料具有较好的成长空间，位于金字塔顶端的化工新材料段时间内不会有较好的发展空间，短期内成长性不凸显。

当前，我国体育装备生产中已经运用了大量的金字塔底部的化工新材料，中層的一些化工新材料目前位于推广阶段，我国目前对于金字塔顶端的化工新材料处于产能很少甚至不能生产的阶段;金字塔顶端的高端化工新材料基本靠进口，但是也只是集中用于国防、军事这些重大领域，体育生产装备几乎没有应用。随着科技的不断发展，我国的化工新材料生产和使用性能也在逐步提升高，慢慢的在我国国产体育装备中也会逐渐应用到金字塔顶端的化工新材料。将来，预计化工新材料将会在我国的体育生产装备中有巨大的成长;预计到2025年，PE、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等已经可以成熟运用了，而且在体育生产装备中也将会逐步应用到金字塔顶端的化工新材料，还可以进一步优化材料的应用结构，进而促进新材料的消费增长。

3.2发展瓶颈

因为我国的体育装备业起步比较晚，与发达国家相比较我国体育装备中应用化工新材料比较滞后，因此应用和推广化工新材料在体育生产装备中依然比较困难，主要体现在一下机构方面。

首先，我国销售的体育装备中国国产产品的产量低，进口产品产量大，这就导致化工新材料的使用受到一定程度的影响。如：在我国畅销的十大羽毛球拍中，我国自主品牌仅占有两家，其销售额更是少的可冷;在冰雪运动装备中，也只有冰鞋、滑雪板和头盔自主化比较高，其他的还是依赖于进口。形成这种局面的原因主要有两个，一是当前我国还提供不了金字塔顶端的材料用于高端运动装备生产中，二是我国的消费者更偏爱进口产品。因为我国生产化工新材料的能力有限，导致在体育装备应用中发展缓慢，进而也导致了消费不高、化工新材料和体育装备业之间的关系发展缓慢。

其次，消费结构受产品价格的影响严重。而体育装备的价格受化工新材料的影响，所以这就导致大众体育消费比较低，而应用化工新材料比较多的高端运动装备消费低。如表2所示，2019年，我国体育装备的消费结构中，鞋服占到65.7%，球拍等外置装备仅占到22.6%，所以在应用化工新材的服装和鞋子中大多是大众产品，在高端产品中也只是在外置装备和职能装备中应用化工新材料;我国目前消费结构总体偏低，高端产品的消费更是比较低，就这更不利于化工新材料在体育装备上的应用和推广。

最后，目前我国化工新材料在体育装备中应用困难的另一个因素是科技实力欠缺。目前存在的问题是：技术种类不丰富、生产技术落后等。所以一些装备材料依然需要从国外进口，目前自给自足还是一个问题。还有，我国没有形成化工材料在体育装备应用中的有效体系，研发和应用没有实现一体化，企业没有专门的生产研发团队，还的将材料交给研究院和高等院校，有可能研发的材料和应用不太相符，应用上就会存在困难。所以，我们需要从应用出发去生产材料，要建设研发和应用一体化体系。

从上述问题可以得出：目前我国还没有形成一种直供模式，就企业化工材料的生产和体育装备的生产。但是在发达国家，这种模式已经比较常见了化工企业和体育专业企业已经具有比较成熟的供应模式。不仅是这种供应关系，这种体系也慢慢形成了。这种模式受市场影响比较小，比如：在一些其次行业，生产厂将汽车和赛车业务分开独立（BMW、雷诺）。我国的化工新材料想要自给自足，也需要去建立这种供应模式，这更有利于化工新材料的研发和推广。

4结语

综上所述，文章通过对新材料在体育装备产业中的应用历程进行分析，得到了新材料对运动竞技水平、体育装备性能等的影响结果。此外，本文通过对新材料在体育装备产业中的发展预测与瓶颈分析，认为未来我国体育产业新材料的应用将会在服役性差等问题进行优化，从而在提升我国新材料体育装备市场竞争力的同时，进一步提高我国运动员的综合竞技水平。