合成纤维的特性分析及在体育器材中的应用优势

2023-09-05常任琪

粘接 2023年8期

常任琪

摘要：介绍了合成纤维材料的分类及其在体育领域中应用的优越性，阐述了目前利用合成纤维材料改善运动器材的典型案例，总结了合成纤维材料的先进性与在体育领域中的发展前景，合成纤维材料不仅可以满足高刚度的要求，还具有良好的抗冲击性。它既有高的静态强度，又有良好的动态性能，如疲劳性能、衰减率等。说明了合成纤维材料因其优越性能在体育运动领域应用相当广泛，能够改善运动器材综合性能。

关键词：体育器材；新型合成纤维；特性分析；优势

中图分类号： TQ342+.74

文献标志码： A 文章编号： 1001-5922（2023）08-0079-04

Characteristic analysis and application advantage of synthetic fiber materials in sports field

CHANG Renqi

（Xi'an University，Xi'an 710061，China）

Abstract： This paper analyzes the classification of synthetic fiber materials and their advantages in the field of sports，expounds the typical cases of using synthetic fiber materials to improve sports equipment，and summarizes the advanced nature of synthetic fiber materials and the development prospects in the field of sports.Synthetic fiber materials can not only meet the requirements of high stiffness，but also have good impact resistance. It has both high static strength and good dynamic performance，such as fatigue performance，decay rate and so on. It shows that synthetic fiber material is widely used in sports field because of its superior performance，and can improve the comprehensive performance of sports equipment.

Key words： sports equipment;novel synthetic fibers;characteristic analysis;advantage

体育是现代科技的窗口，它代表了一个国家的科技水平。高科技材料在运动器材发展过程中发挥着重要作用，竞技体育发展方向也指向更加科学先进的训练规划与器材制备，这使运动器材制备及相关材料研发受到鼓舞[1]。由于合成纤维本身具有质量轻、强度高、易加工、耐冲击等优势，合成纤维的质轻与强度比合金、塑料等材料更好[2]。目前碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、超高模量聚乙烯纤维、芳纶等高性能纤维材料得到广泛应用。因此，合成纤维材料的开发和应用为体育产业的技术进步和完善奠定了坚实的基础[3]。

1 合成纤维材料的特性及应用领域

1.1 碳纤维

碳原子在一维中的键合排列产生超高强度纤维，通常称为碳纤维（CF）[4]。CF的直径大多在5～10 mm内。碳纤维具有出色的性能[5]：高拉伸强度、高抗压强度、高弹性模量、低热膨胀以及高导电性和导热性等特性。由于这些优异的性能，碳纤维被用于航空和汽车行业的复合材料、体育用品、风力涡轮机叶片等。碳纤维密度低于钢，比钢具有更高的比强度，几乎可以制造出具有优异结构性能的任何形状的产品[6]。为了在商业应用中使用CF，对它们进行彻底的表征至关重要，以便通过单独使用CF或在复合结构中使用CF来确保所需的工作标准（例如，用于电气或机械应用等）。碳纤维的特性及应用如表1所示。

碳纤维复合材料的性能突出。用它制成的造型装置的综合性能具有重量轻、比强度高、比模量高、抗疲劳、耐磨、抗振动吸能、热膨胀系数小、尺寸稳定、设计自由度大等优良性能，是任何材料都无法比拟的[7]。用于生产这些体育娱乐设备的碳纤维占世界碳纤维总消费量的35%。在设计和良好的加工成型等方面，使其成为理想的运动器材更新新材料，并已广泛用于生产各种运动器材[8]在体育娱乐设备中，碳纤维复合材料（CFRP）主要用于制作高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、羽毛球拍、滑雪板、自行车、弓箭、乒乓球拍、赛艇、游艇、桨、冰曲棍球、棒球棒等[9]。

1.2 玻璃纤维

玻璃纤维主要由二氧化硅（SiO 2）组成，类似于窗玻璃，直径约为3～25 μm[10]。玻璃纤维通常用于增强聚合物。玻璃棉是另一种玻璃纤维，长约10～50 mm，缠結成大块的棉状，用于隔热和隔音[11]。玻璃纤维的生产成本低于碳纤维，这是一个优势。碳纤维是黑色的、高度各向异性的和导电的，而玻璃纤维是透明的、各向同性的和电绝缘体[12]。

玻璃纤维在没有基质的情况下用作过滤器和用于隔热和隔音的纤维毯。玻璃纤维在航空航天、汽车、船舶、体育和休闲用品、建筑和土木工程等各个领域用作聚合物的增强材料。主要优势之一使用玻璃纤维来增强聚合物的最大优势在于其高性价比[13]。以膜形式应用玻璃纤维的一个例子是由聚四氟乙烯（PTFE）涂层玻璃纤维制成的建筑膜，用于体育场和机场的天花板。

1.3 硼纤维

硼纤维非常坚硬，具有很高的抗拉和抗压强度[14]。纤维直径比较大，抗压缩性能好。在惰性气体中，高温性能良好。在空气中超过500 ℃时，强度显著降低。环氧树脂基质通常与硼纤维一起使用。硼纤维用于修复破裂的铝制飞机蒙皮，因为硼的热膨胀率接近铝，不存在电偶腐蚀的可能性。与大多数其他增强材料相比，它们的直径相对较大（100～140 mm）。如果母材表面具有轮廓形状，则硼纤维难以使用。由于硼纤维比许多类型的碳纤维更昂贵并且对人员可能是危险的[15]。因此它们的使用受到更多限制。

硼纤维与其他纤维性能比较如表2所示。由于硼纤维具有高强度、高模量等优良特性，随着科技的发展，逐渐可用于增强树脂和金属材料[16]。随着商业化规模的生产，硼纤维逐渐被用于航空航天、体育娱乐用品、工业用品等领域。

1.4 碳化硅纤维

碳化硅基纤维主要用于增强金属和陶瓷，有许多基于碳化硅的商业纤维，有许多通过聚合物热解制成的多丝碳化硅基纤维[17]。碳化硅纤维与其他氧化物纤维相比，具有更低的原子扩散、更高的断裂韧性、更低的密度和更高的热导率，即使在高温下具有很高的结构稳定性。这表现在极强的抗氧化性和良好的高温强度[18]，这使得它们可用作高温复合材料中的纤维增强材料。有两种不同类型的碳化硅纤维：基体纤维和精细陶瓷纤维[19]。基于基材的纤维通常具有钨丝或碳丝作为基材。精细陶瓷纤维基于碳化硅，直径约为15 μm，由聚碳硅烷前体热解制成[20]。

1.5 超高模量聚乙烯纤维

超高模量聚乙烯纤维主要用于增强聚合物和防弹保护，与碳纤维、凯夫拉尔（Kevlar-49）纤维等纤维对比如表3所示。其强度更高，质量更轻，化学性能更好稳定性，具有很强的化学惰性，酸、碱和有机溶剂对强度几乎没有影响[21]；优良的耐候性，经l 500 h鞣制后，纤维强度保持率达80%，抗紫外线性能优良、耐低温性也很好。[FL）]

2 合成纤维材料的优势及常见器材中的应用

2.1 合成纤维材料

2.1.1 抗冲击性

相关研究表明，篮编织合成纤维的抗冲击性最好，合成纤维在受冲击过程中表现出良好的抗冲击性，例如可制作防弹衣[22]。在高速冲击下，合成纤维周围一小部分区域，该区域很快消散，并且对织物的能量吸收能力没有影响，因为大部分能量被纤维吸收，远离影响区域。特别适合在运动器材上应用。

2.1.2 良好的弹性性能

在从组成材料特性确定单向纤维增强复合材料的弹性常数的近似方程研究中，树脂性能是横向模量和剪切模量的主要因素，但它们可以通过硼等高模量纤维得到改善[23]。硼纤维增强复合材料的实验结果表明纵向和横向模量与理论有合理的一致性。

2.1.3 强抗压性能

对45根玻璃纤维增强聚合物（GFRP）钢筋进行了压缩测试，以确定它们的极限强度和杨氏模量。钢筋外径为15 mm（#15钢筋），无支撑长度从50到380毫米不等。开发了一种压缩测试方法来进行实验。与钢筋的无支撑长度直接相关的3种破坏模式被确定为压碎、屈曲以及屈曲和压碎组合[24]。破碎区域代表GFRP钢筋在受压混凝土中受限时所经历的破坏模式。實验结果表明，#15 GFRP钢筋压碎失效的极限抗压强度约为极限抗拉强度的50%。

2.2 合成纤维材料常见器材

运动员和运动器材之间的互动质量在许多体育活动中起着重要作用[25]。随着当今材料科学的飞速发展，运动器材也随之发生变化。各国致力于开发新的运动器材以满足市场需求。但近年来，越来越多的运动器材在生产过程中添加了纤维，而且一些运动器材的主要材料已经转变为合成纤维[26]。因此，合成纤维材料在运动装备方面开启了新的征程。

2.2.1 羽毛球拍

羽毛球拍是我们的传统运动器材。我国羽毛球拍的年产量约为470万支，羽毛球的普及范围相当广泛。中国市场上的羽毛球拍框架大部分是铝合金材质，其次是碳铝和镀钢。随着碳纤维在运动器材领域的应用越来越普及，如今市场上主要销售的是碳素球拍，而现在，全碳素羽毛球拍已经上市。羽毛球杆是受力的主要部件。而且在我们打羽毛球的时候，它会受到各种力量的影响。因此，在设计制造过程中，应充分考虑纵向抗弯强度、抗弯刚度和抗拉刚度。由于CFRP具有高比强度和高比模量，我们可以使用高强度的筋线制作出轻巧、坚固、不变形的球拍框架。同时，这种球拍和拍杆具有良好的弹性和阻尼特性，可以使球具有长的击球和回球距离和高精度的击球位置。此外，CFRP还可用于制造羽毛球的羽毛杆。其性能与天然羽毛几乎相同，但耐用性比天然羽毛强得多。

2.2.2 弓箭

弓箭是近代竞技体育的一项非常重要的项目。随着材料科学的发展，世界上最好的弓是碳纤维增强塑料材料制品（简称CFRP），使弓臂能够承受约50 kg/mm2的弯曲应力，使箭具有最高的初速和最长的射程。同时，玻璃钢本身的减振性能和船首的减震器、配件等，使得在射击的那一刻发生的瞬态振动能够迅速停止。如此一来，除了射箭有所改善外，球员的肘部也可以避免震动的影响。拉弓放松，要求弓臂具有较高的抗疲劳强度。CFRP在疲劳性能方面首屈一指，是玻璃钢和金属材料无法比拟的。因此弓臂的寿命。此外，碳纤维复合材料还可用于制作箭，尤其是制箭，轻薄、硬而强、偏转小、初速高、命中率高。CFRP也可以作为制造瞄准具、稳定器、刹车片等配件的材料。

2.2.3 自行车

碳纤维复合材料车架于1986年首次在环法自行车赛中使用。随着最近复合材料车架研发的增长，碳纤维复合材料在自行车行业变得越来越流行，其中轻质和高刚度是最重要的。制造出的兼具碳纤维的高性能特性和亚麻纤维的低成本和可再生性的自行车车架，与碳复合材料框架相比，所有这些都是以较低的成本实现的，同时保持40%的生物含量。车架材料的机械测试结果表明，制造的车架具有与市售的碳、钛和铝车架相似或更高的刚度和强度，同时具有出色的减振性能。与碳复合材料框架相比，所有这些都是以较低的成本实现的，同时保持40%的生物含量。

2.2.4 滑雪板

现在，木制滑雪板已经被淘汰，取而代之的是基于夹层结构的多元复合材料，其中碳纤维、凯夫拉纤维（KF）、硼纤维（BF）、碳化硅纤维（SF）和各种滑雪板的晶须完善了他们的表现。这些高端滑雪板，重量适中，滑行平稳、快速，转弯灵活，使用寿命长。

2.2.5 跳高撑杆

在撑杆跳高中撑杆会出现很大的变形，并且具有在整个撑杆上储存和返回能量的高潜力，因此跳高运动员和撑杆之间的相互作用强烈影响着撑杆的性能。使用玻璃纤维杆为整个拱顶提供了一种将动能转化为势能的有效方法。跳马运动员通过在特定的能量模式中分配动能损失和势能增益来达到一定的高度。另外，采用碳纤维增强塑料并利用特定的缠绕成型技术制作而成的撑杆有较强的弹性和强度，在运动员取得较好成绩的同时，既能保持撑杆的完整性，又能确保运动员的安全[7]。

2.2.6 赛艇

在完成划船时，尽量减轻负担，保证划船不受高速运动的冲击，是非常重要的。单纤维增强复合材料难以满足赛艇综合性能的要求。于是，人们大胆改进设计，采用碳纤维、玻璃纤维、混合纤维复合材料来满足要求。碳纤维有一个典型代表，它是由吉林碳纤维生产厂和南京玻璃纤维研究所生产的，具有“混合效应”的性能。但是划船问题依然存在，比如船体重量超标，抗冲击能力不够，弹壳碎裂是缺点之一。随着芳纶纤维的引入和应用，设计了CF/KF更高水平的混合纤维复合划船方案，克服了这种混合纤维的不足，使划船得到有效改善。本实用新型将混合纤维应用于赛车，具有物理和力学性能的优点，同时人们可以获得独特的组合，这是使用单一类型的纤维不容易实现的。

3 结语

随着世界科技和运动器材的发展，运动器材需要科技支撑已成为共识。“生命在于运动，运动需要科学”已经牢牢烙印在我们的脑海中。合成纤维材料是一种新型国际性发展材料，从优良的特性到可回收利用环节中均有可开掘的科学价值与应用价值，合成纤维材料不仅可以满足高刚度的要求，而且具有良好的抗冲击性。它既具有高的静态强度，又具有良好的动态性能，如疲劳性能、衰减率等。说明了合成纤维材料因其优越性能在体育运动领域应用相当广泛，能够改善运动器材综合性能，使得体育事业向现代化、舒适化、轻便化、科学化方向发展。这意味着合成纤维材料在运动器材中发挥着不可替代的和日益重要的作用。因此，合成纤维材料在体育领域中器材的开发和应用中有着非常广阔的前景。

【参考文献】

［1］潘利利.面向新材料技术推动体育运动水平发展研究[J].粘接，2020，43（8）：72-75.

[2] 李珈骐.现代新材料技术与体育运动水平的提高[J].粘接，2019，40（7）：130-132.

[3] 商从政.合成材料面层场地检测管理系统设计[D].武汉：武汉体育学院，2022.

[4] 吴志勇.新型纤维在体育器材中的应用[J].体育科技文献通报，2012，20（4）：4-8.

[5] 李豫.新型纤维材料在体育器材中的应用及性能研究[J].材料保护，2020，53（10）：179-180.

[6] 王利娥，刘奋山.碳纤维增强塑料在体育运动器材中的应用研究[J].合成纤维，2021，50（11）：4-8.

[7] 张亚东.碳纤维复合材料的回收与再利用技术研究[J].广东化工，2022，49（10）：26-27.

[8] 冉旭，鄒豪豪，李乾，朱巍巍.镀层碳纤维增强铜基复合材料的制备及其性能研究[J].长春工业大学学报，2022，43（Z1）：332-340.

[9] 孙少杰.碳纤维复合材料（CFRP）在汽车轻量化中的应用[J].粘接，2022，49（7）：76-79.

[10] 王昊康.玻璃纤维增强复合材料力学性能研究进展[J].合成纤维，2022，51（11）：40-43.

[11] 陈荣源，赵凌锋，刘欣，等.玻璃纤维增强增韧回收聚丙烯复合材料的制备与性能研究[J].塑料科技，2022，50（9）：20-24.