体育器材用纤维增强复合材料性能研究

何洪平

（民办四川天一学院，四川绵竹 618200）

随着我国改革开放的不断深化和社会主义现代化建设的推行，国民经济水平和科技水平都较过去有了很大改善。从改革开放初期的温饱问题得到满足，到现在人们追求更好、更健康的生活。我国国民的这一需求的改变，也直接加速了我国体育事业的发展，而且国家也很重视全民身体素质的提高，为了满足广大人民群众日益增长的体育需求，同时也为了纪念北京奥运会成功举办，国务院批准，从2009年起，每年8月8日为“全民健身日”。因为体育事业的不断发展，我国正经历体育大国到体育强国的转变，这一转变过程中也同时带动了相关的运动器材等细分领域的茁壮成长。与运动健康相关，尤其是与竞技体育相关的体育器材类产业也较过去有了长足的进步，这一方面我国和西方发达国家的差距也在逐渐减小。大力发展高质量体育器材，一方面有助于我国国民安全有效地锻炼身体；另一方面，在专业的竞技体育领域，高质量的体育器材能够明显地提高运动员的综合成绩。例如，高科技的“鲨鱼皮”泳衣可以帮助游泳运动员大幅度地提高成绩。如何提高目前体育器材的质量有很多方面的影响因素，最为重要也是最基础的影响因素就是体育器材的组成材料。纤维增强复合材料(简称FRP)是由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。在众多的体育器材用材料中，纤维增强复合材料因为其质量轻和力学性能突出等优点，已经在先进的体育器材中得到了大范围的应用［1］。

1 纤维增强复合材料用于体育器材的优点

1.1 纤维增强复合材料的质量较轻

除了一些对于体育器材的质量有严格要求的运动项目，例如力量举和传统的举重，其他大多数情况对运动员使用的体育器材的要求是质量越轻越好。体育器材的重量越轻，高水平运动员越能够专注于比赛的发挥，才能更好地激发自己的潜能，创造出更好的比赛成绩。在奥林匹克的比赛中，大多数的比赛项目都是依靠人力或机械、自然动力驱使，而这些运动大多追求的都是更快速度、更远的距离等，因为质量越大所有惯性也就越大，因此大多数比赛项目对于器材的要求都是质量越轻越好。例如网球项目或者是羽毛球项目，传统的网球拍或者羽毛球拍大多是金属材质的，在长时间的使用后运动员的负担较大，而相比于这些传统材料，纤维增强复合材料有着相同体积密度小、质量轻的显著优势。例如目前国际上流行使用的碳纤维材质高尔夫球杆的质量只有金属的一半甚至更低，质量明显轻于金属球杆。

1.2 纤维增强复合材料的力学性能优异

纤维复合材料的物理性相比于它的原材料出现了巨大的变化。通过我国科研人员相关的实验结果表明，纤维复合材料的抗拉强度都要明显强于普通钢筋的抗拉强度，一般来说，纤维复合材料抗拉强度要比普通钢筋的抗拉强度高出了2~10 倍；同时，纤维复合材料在满足抗拉强度标准值的基础上，在抗拉实验中还没有出现塑性变形。体育器材作为一些比赛项目的必要辅助手段，要求体育器材具有优异的力学性能，需要有良好的强度韧性还有抗拉强度。其中最为典型的的比赛项目就是撑杆跳高。对于撑杆跳高这一比赛项目，杆的性能对于运动员的成绩起到了决定性的作用。因为比赛对撑杆跳高运动员所用的杆的长度有明确的要求，所以杆的强度、韧性以及抗震能力等力学性能的好坏又是决定杆质量高低的关键因素。同时高质量的杆还是运动员安全的必要保障。撑杆的材料经历了木杆、竹杆、金属杆、到如今的纤维材质杆。由于纤维复合材质具有强度高、韧性好等特质，纤维复合材质杆的使用，使得撑杆跳高运动员的安全有了保障的同时，撑杆跳高的成绩相比于过去也有了明显的提高。

1.3 纤维增强复合材料具有良好的可加工性和可设计性

对于一些传统的体育器材用材料，有的材料因为本身的力学性能差，强度不高且塑性较低，就导致了这些材料很难再进行二次加工和设计，同时这些材料在运动员使用的过程中一旦发生破损，对于二次加工和利用也很困难，所以需要更换新的体育器材，造成较高的运动成本。纤维增强复合材料在体育器材中的应用可以很大程度上避免这一问题，纤维增强复合材料在设计和使用的过程中，能够尽最大可能地增强设计的自由性，可以根据运动者的个性化需求分不同的情况进行体育器材的设计，这也是纤维增强复合材料的独特优势。同时纤维增强复合材料的生产和加工成本较低，在一些大众性质的运动器材中的二次维修和替换价格较低，经济实惠。

1.4 纤维增强复合材料良好的环保性

在我国推动全民健身的过程中，在广大的社区和农村地区需要大量的建设群众运动用体育器材，在大众用体育器材的选材方面，就需要考虑到体育器材的环保性能，体育器材在建设和使用的过程中不能挥发出对人体有害的有毒气体，保证大众在一个安全环保的环境下健身。同时还需要考虑到体育器材的卫生情况，要保证体育器材能够方便清洗并能够长期使用。纤维增强复合材料，能够满足以上几点要求，纤维增强复合材料的卫生性较强，并且部分复合材料可以再回收利用，保证绿色环保。

2 体育器材常用纤维增强复合材料的种类

2.1 无机纤维材料

在体育器材常用的纤维复合增强材料中，无机纤维材料是其中一个重要的组成部分，无机纤维材料中的玻璃纤维、碳纤维、硼纤维以及碳化硅纤维等常用于体育器材的制造中［2］。

玻璃纤维应用较早，也是应用广泛的纤维复合材质之一。传统的玻璃材质虽然容易碎，但是当玻璃被一定的工艺抽成直径以微米为衡量单位的玻璃丝状物时，却具备了很高的强度以及韧性。玻璃纤维单丝配合树脂等介质，几百上千根单丝形成纤维原丝，而后通过一定的工艺形成体育器材，这一材质的体育器材具有显著的强度大、弹性模量大、稳定性好等优异特性。

碳纤维也是无机纤维材料之中的一种，同时碳纤维增强复合材料也是目前受到人们关注最高，研究和应用范围最广的无机纤维材料之一。碳纤维增强复合材料之所以能够得到人们如此之高的关注度，其中最关键的因素是碳纤维具有特别优秀的性能。碳纤维增强复合材料最突出的一个特点就是比重比金属要轻很多，在质量方面仅仅是传统钢材质的四分之一，但是碳纤维增强复合材料的比强度却能达到传统钢材的的几十倍。且它的耐热性能优异，化学稳定性能优异。

硼纤维是一种重要的技术含量很高的纤维之一。硼纤维主要是以石英等为芯材，通过气相沉积方法制得。硼纤维的特性是强度高、弹性模量高，主要用于增强树脂和金属类材质。例如，硼纤维增强环氧树脂就是用来生产高强度体育器材的最为合适的材料之一。碳化硅纤维也是一种耐热性突出的无机纤维材料，能够承受上千度的高温，再加上纤维材质的高强度、高韧性的特质，碳化硅纤维在一些抗冲击要求高的体育器材中应用广泛。

2.2 高强高模合成纤维材料

在复杂的纤维增强复合材料之中，除了无机纤维材料之外，高强高模合成纤维是又一种的新兴的纤维材料，高强高模合成纤维家族主要分为芳香族聚酰胺纤维、超高模量聚乙烯纤维和混杂纤维三种。

芳香族聚酰胺纤维主要的获取方式是通过溶液法合成，除了一般纤维材料具备的优点之外，芳香族聚酰胺纤维其弹性模量能够达到玻璃纤维的两倍，是一种技术含量很高的纤维材质，生产价值和应用的价值较高。

超高模量聚乙烯纤维最为突出的特点是其综合机械性能相比于一般的纤维有显著的提升，超高模量聚乙烯纤维的强度更高、韧性更好、稳定性更高等，但是其生产加工要求比较高。

将两种或两种以上的纤维进行混合而制备的材料就称为混杂纤维，混杂纤维的特点是能够兼具多种纤维的优点，综合性能优异。混杂纤维的另一个优势就是能够通过混杂技术，使得混杂纤维具备独特的性能，一方面是获得单一的纤维种类无法具备的特性，另一方面也能通过低成本的纤维增强来降低材料整体的生产成本。

3 纤维增强复合材料在体育器材中的应用实例

3.1 纤维增强复合材料在雪上项目的应用

近年来我国民众对冰雪项目的热爱程度越来越高，尤其是北京将在2022年举办冬季奥林匹克运动会，更是将我国民众对冰雪项目的热爱程度提高，尤其是雪上项目，滑雪已经成了人民冬季休闲度假的一个重要选择之一。在滑雪这项体育运动中，滑雪板是最重要的体育器材，滑雪板的质量关系到运动员和普通爱好者的生命安全。传统滑雪板是木质或者是金属材质。传统木质材料的滑雪板，质量比较轻，并且价格也相对较低，但是这种木质材料的滑雪板容易产生变形受潮等问题，安全性能得不到保障。铝合金制成的金属滑雪板是质量较为可靠的滑雪板，这一类滑雪板价格相对较高，但是由于这种铝合金滑雪板对于使用场地就要求，因此它的适应性较低。而纤维增强复合材料的滑雪板，能够综合以上两种材质的优点，能够使用于任何雪地场地，并且价格适中，性价比较高，这种滑雪板一般使用PU 或者PVC材料制成，这种材质的滑雪板具有一定的弹性，并且伸屈性较强，能够增强整体的滑板韧度，让滑板具备一定的张力。

3.2 纤维增强复合材料在自行车项目的应用

在我国提出全民健身的目标之后，自行车除了可以满足人们通勤上班的目的之外， 同时还有健身和竞赛等多种功能，因此人们对其性能的要求也变得越来越苛刻。传统的自行车都是金属制的车身，质量较大，目前随着科学技术的进步与发展，碳纤维增强复合材料已经大范围应用于自行车项目之中。目前专业的竞赛自行车的车架构、车轮及座位支架等部位都是用碳纤维复合材料制作而成，既增加了自行车外观的美感，也增加了车体的刚性，并使车体具备良好的减振性能；车体的轻质性能也有效增加了骑车的舒适性。在这些特性下，由碳纤维复合材料制造的自行车被广泛应用于各大竞赛中［3］。

3.3 纤维增强复合材料在高尔夫项目的应用

二十世纪七十年代，纤维增强复合材料第一次应用在了高尔夫球杆之上［4-5］，替代了传统的金属制造的高尔夫球杆，碳纤维增强复合材料的高尔夫球杆比传统的球杆质量稍微重，但是可以够提升高尔夫出球的初速度，同时由于这种纤维复合材料的设计自由性较大，因此能够充分体现设计师的灵感，帮助提升了高尔夫球的飞行距离和飞行的稳定，同时设计师对于球杆的质量尺寸等各个方面进行了改善，进一步提升了高尔夫球杆的整体水平。目前这种碳纤维增强复合材料高尔夫球杆已经被高水平运动员广泛应用。

4 总结与展望

本文详细阐述了纤维增强复合材料的特点，体育器材常用纤维增强复合材料的种类以及纤维增强复合材料在体育器材之中的应用实例。在我国现阶段的体育器材市场中，纤维增强复合材料已经成为一种必不可少的重要材料。在未来体育器材的发展过程中，相信对于纤维复合材料的使用将会更加广泛，这也要求相关的研究人员要不断加强对纤维增强复合材料的研究与具体应用，从而来满足现代化的体育事业发展需要，使得我国的体育器材行业可以走在世界前列。