高分子材料力学性能对现代田径运动器械的影响研究

王 剑，汪 超

（1 榆林师范学校，陕西榆林 719000；2 榆林职业技术学院，陕西榆林 719000）

田径运动是一种由径赛、田赛和全能比赛组成的运动体系统称。田径运动包含了大量的走、跑、跳等运动形态，是一项有益身心健康且开展难度较低的运动模式。随着现代田径运动的飞速发展以及群众生活水平的不断提升，越来越多高新材料不断与田径运动器械制备领域相结合，以高分子复合材料为代表的高力学性能材料正逐渐开始取代传统的木材、金属及其合金材料，成为田径运动器械加工与制备领域不可或缺的重要组成部分［1-3］。然而，并不是所有田径项目中所使用的运动器械都可以用高分子复合材料代替，铅球、铁饼等对器材自身重量有标准化要求的田径运动器械并不可以使用高分子材料代替，高分子材料在田径运动中多见于各类型跑鞋、撑杆跳杆、新型运动场地等领域。得益于自身优越的综合性能，高分子材料在与田径运动结合以后，极大地影响了田径运动的发展。本文主要分析高分子材料的力学性能对田径运动器械的影响，旨在从细节的角度分析田径运动对高分子材料的依赖性，为田径运动器材加工领域发展提供帮助。

1 高分子材料力学性能分析

1.1 田径运动器械常用高分子材料

并非所有田径运动器械都可以使用高分子材料替代。某些运动项目对使用的器械有固定的质量、尺寸等要求，如投掷类运动所使用的铁饼、铅球、链球等，由于大多数高分子材料的密度均较低，因此这一类田径运动器械并不能使用高分子材料替代。高分子材料在田径运动领域应用，多集中在对运动器械有“轻质、高强、高耐疲劳度”等需求的领域，例如各类型运动鞋、撑杆跳跳杆、标枪以及体育场地等。田径运动常用的高分子材料有碳纤维、芳纶、聚氨酯等。表1所示为田径运动器械常用高分子材料分类情况。

表1 田径运动器械常用高分子材料[4-6]Table 1 Polymer materials commonly used in track and field sports equipment

不同的田径项目所使用的常用器械差距较大，从不同类型的运动鞋到跨栏、铁饼、标枪以及其他比赛、训练所使用的物品均可被划入田径运动器械范畴。最常见的田径运动器械包括运动员穿着的衣物、鞋袜、防护用具等，其他比较有针对性的器械则包括撑杆跳运动使用的撑杆、缓冲垫，各类型运动所使用的不同规格的跑道等。

1.2 高分子材料力学性能优劣势

1.2.1 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料是一种利用碳纤维、环氧树脂等材料进行复合加工制备而成的高分子复合材料。碳纤维本身是一种极为优秀的轻量化材料，其密度仅1.77 g/cm3左右，仅为一般常用钢材料的25%左右，比田径器材领域常用的铝材密度更低［7］。碳纤维复合材料不仅质量轻，其力学性能更为优异，在抗拉强度、弯曲强度、剪切强度等力学性能方面的表现远优于一般金属材料或其他结构材料。常见的碳纤维复合材料如T300系列碳纤维复合材料的抗拉强度便可以达到3500MPa以上，拉伸模量可达230GPa，高性能的T1000级碳纤维复合材料力学性能更加突出，远超一般金属材料。此外，碳纤维复合材料还是一种具有各向异性的高分子复合材料，材料在垂直/平行纤维方向上的力学性能会表现出较大的差异性，因此，改变碳纤维纤维方向的排布能够有效改变碳纤维复合材料的综合性能，具有较强的可设计性。

然而，碳纤维材料同样具有某些缺陷。例如，碳纤维材料的耐磨性要劣于一般的铝及其合金材料。部分体育装备生产商利用碳纤维材料制作成钉鞋的鞋钉，能够一定程度降低钉鞋的整体质量。然而，由于碳纤维材料在长期的摩擦过程中会更快地破损，仅能作为某些不需要剧烈跑动的田径项目钉鞋中，例如跳高等。

1.2.2 芳纶复合材料

芳纶及其复合材料的密度同样较低，一般仅在1.44g/cm3左右，比一般的碳纤维材料还要低［8］。芳纶及其复合材料的力学性能极为优异，其强度和模量高于一般玻璃纤维和碳纤维；芳纶复合材料纤维的在0°角度的材料拉伸强度更高，也同样优于一般的碳纤维材料；此外，芳纶复合材料的阻尼性更强，在某些需要提供缓震性能的体育防护器具、护垫等器材中具有较强的应用价值，能够为运动员提供较好的缓震性能。

芳纶复合材料在纤维垂直方向的拉伸性能较差，即压缩性能较差，通常压缩强度仅能达到拉伸强度的20%左右，在进行加工时往往需要将芳纶纤维与其他纤维进行混合，弥补材料的缺陷。此外，芳纶复合材料抗紫外线照射的能力较差，在长期紫外线照射后其材料强度通常会大幅下降。因此，利用芳纶复合材料制备而成的防护器具等需要外部包覆一层防紫外线的布料等，以维持其材料强度。

1.2.3 聚氨酯材料

聚氨酯材料的分子链线性结构，为材料提供了较高的强度、伸长率、回弹性等优势。同时材料的耐磨性、耐老化性、耐低温性能也较为优异。利用聚氨酯材料制成的部分体育服饰能够很好地为运动员提供保暖功能。同时，聚氨酯材料还是一种极佳的田径跑道主体材料。由于聚氨酯材料具有良好的回弹性，利用聚氨酯、黑胶粒等材料制备而成的塑胶跑道能够为运动员提供较好的足部回弹，配合钉鞋能够使运动员在蹬地时的回馈力度更强。目前聚氨酯跑道已经逐渐全面取代了传统的渣土跑道，成为我国学校、体育场馆等场地制备的主要材料。

聚氨酯材料制备而成的体育器材普遍耐高温性能较差，在温度过高时材料的拉伸强度、撕裂强度等力学性能会严重下滑。此外，聚氨酯材料尽管具有较好的弹性，但滞后损失却较大，面对频繁、多次变形以后会产生较多的热量最终影响材料的性能。因此，通常暴露于自然环境下的聚氨酯体育器材普遍需要进行打孔设计或利用透气型结构改善器材的内部环境。

1.2.4 尼龙

尼龙即聚酰胺纤维，具有机械强度高、韧性好、抗拉和抗压强度高等优势。尼龙材料的比拉伸强度高于一般的钢材或铝合金材料，比压缩强度与铝合金等金属材质相当，尽管材料本身的刚性不如铝合金等金属材质，但尼龙材料本身的抗拉强度与屈服强度极为接近，远高于一般的ABS材料，能够很好地吸收外部冲击、应力振动等。此外，尼龙材料的耐疲劳性优势极为突出，在经过多次反复屈折以后仍然能够保证100%的原有材料机械强度，在应用于运动服饰、部分器材的握持部分能够保证长期使用不变形、不损坏［9］。

尼龙材料的缺点也较为明显，材料本身吸水性较差、尺寸的稳定性也较差，单独利用尼龙材料加工而成的服饰在运动员大量出汗以后通常会带来较差的舒适度。同时材料本身的抗静电性能也不好，现在多将尼龙与其他纤维材料复合进行某些器械、服饰的加工。

2 高分子材料力学性能对田径运动器械的影响

2.1 对田径运动鞋的影响

田径运动鞋分有钉款、无钉款等。如图1所示是NIKEAir Zoom Victory专为800至10000米竞速赛跑设计研发的一款有钉跑鞋。该跑鞋除鞋钉采用金属材质以外，其余鞋体部分全部采用高分子材料加工而成。鞋跟部分采用Nike ZoomX泡棉材料制备而成，这种泡棉材料是一种利用聚氨酯发泡制备而成的弹性结构，其质量仅有一般减震橡胶材料的1/3，但其弹性更好，能够为运动员提供超过85%的能量反馈，极大地节省了中长跑运动员在足部着地时的能量损耗。大底及中底采用了大量的碳纤维板，通过贯穿前后脚掌的设计提升了跑鞋整体刚性和抗扭转性能［10］。同时，由于碳板本身刚性极强，能够在运动员跑步过程中以运动员拇指球为支点，在运动员前脚掌着地大拇指使劲向下压时，利用碳板的刚性把脚后跟翘起来，改变因为缓震材料过软带来的能量回馈不够的情况，配合前后脚掌两个单独的气囊，给运动员带来出色的缓冲保护，实现更平稳的过渡，同时让双足不失掌控力。此外，在该跑鞋的中底处还加入一层薄薄的Nike ZoomX泡棉，嵌在碳板和地面之间，并对整个系统作了相应调整，以减少能量损失，增强回弹力。鞋面采用Nike Flyknit的升级材料Nike Atomknit。实现了长跑钉鞋设计模式的完全转变。

图1 NIKE品牌某款有钉跑鞋Fig. 1 A Nike running shoe with nails

2.2 对撑杆跳杆的影响

撑杆跳杆是撑杆跳运动必备的运动器械。原始的撑杆跳杆多以竹子为基材，由于竹子长期暴露于自然环境下以后会逐渐变脆，竞技过程中断杆现象频发。随着现代材料科技的不断发展，玻璃纤维、碳纤维撑杆逐渐发展成熟。由于碳纤维材料本身具有刚性大、弹性模量大等力学性能优势，在应用于撑杆跳运动以后，极大地提升了运动员将动能转化为重力势能的比例。作为一种“能量转换器”，碳纤维杆明显提升了撑杆跳运动的平均水平。目前，使用碳纤维杆开展撑杆跳运动的男子世界记录已经达到了6.18m，女子世界记录也已经达到了5.06m，远远超过了竹竿时期，也优于玻璃纤维杆时期。同时，由于碳纤维杆的整体刚性更强，也有效降低了玻璃纤维时期的“断杆”风险，增强了撑杆跳运动的安全性。

2.3 对防护器具的影响

跳高、撑杆跳运动中需要利用防护垫等对运动员提供保护。以前传统的防护垫多采用橡胶外部包覆皮革制成，在长期户外使用下容易开裂、老化、变硬，一旦遇水或者被汗液浸湿以后会变得非常光滑。运动员一旦掌握不好着地角度，很容易因为防护垫的问题而发生危险。因此，体育器械生产厂家开始利用POE空气纤维等作为内充成分，以聚氨酯纤维为外部包裹物制备出新型的防护垫。这种防护垫由于内外部高分子材料弹性好、化学稳定性强且具有一定的吸水性，能够较好地为运动员提供防护，同时也不容易因水分的存在而出现打滑。

3 结语

高分子材料普遍具有比一般木材、金属材料更为优异的力学性能。随着田径运动的飞速发展，利用高分子材料制备而成的田径运动鞋、器械以及防护器具等，逐渐成为影响田径运动发展的重要因素。本文总结了当前田径运动器械常见高分子材料力学性能优劣势，对高分子材料如何影响田径运动发展进行了案例分析。但是，田径运动受高分子材料影响的领域较多，本文无法一一论述，需要在今后的研究中逐渐完善。