CFRP 复合材料在不同运动器材中的结构性能及价值研究

苗承佳（兰州市安宁区兰飞小学 甘肃 兰州 730076）

近年来，我国体育事业发展十分迅速，从而也对体育器材应用和制造提出更高要求，碳纤维复合材料是体育用品产业发展的主流方向之一。通过这种材料，能够制作自行车车架、网球拍、高尔夫球杆等等，满足人们的多样化运动需求。一方面，能够提升运动器械性能；另一方面，也能避免或减轻运动给人体带来的伤害，提高运动效果。

1、CFRP 复合材料发展历程概述

在现代化体育事业发展当中，体育器材扮演着十分重要的角色，它能够为相关体育运动的开展奠定良好基础，同时也是促进现代体育健康发展的前提。在对体育器材进行生产和制造的过程中，要根据化学材料研究现状，对材料应用积极创新。在这一过程中，碳纤维复合材料应运而生，并在体育器材当中应用十分广泛，碳纤维复合材料主要就是将相关元素进行复合，具体如金属、树脂、碳纤维等等，从而形成碳纤维复合材料。就目前结构材料的发展状况来看，碳纤维复合材料有着更为优秀的综合指标，包括其比模量以及比强度等都是较为突出的应用优势，其强度是钢铁的5 倍，但同时质量又比较轻，具有良好的耐热性能。碳纤维复合材料的广泛应用，是化学合成工业不断发展的必然结果，应用碳纤维复合材料，对体育器材进行铸造和加工，能够增强运动器械舒适度和使用性能。虽然也会有一定缺陷存在，但随着生产工艺和技术水平的不断提高，其性能也能得到进一步优化，满足现代人们的运动需求。

在快节奏的现代社会发展中，人们健康意识逐渐增强，越来越重视运动健身，这使得现代化体育运动已经打破了传统的单一化模式，逐渐开始向大众化方向发展。随着体育运动事业的不断发展，体育器材生产和铸造也要与时俱进。积极创新和开发体育器材，以更好地满足体育事业发展的多样化需求。对于体育器材生产和设计而言，要想取得理想效果，就要结合用户的行为习惯，对运动器材造型进行全面优化，根据不同运动项目特点，对材料选择和应用进行完善，以更好地满足大众的个性化和多样化运动需求。

2、CFRP 复合材料应用于运动器材的结构性能及价值

2.1、设计自由度高

随着复合材料成型技术的不断发展，也让体育器材设计自由度大大提升，碳纤维复合材料最突出的特征在于各向异性，通过对纤维的铺叠方式和方向加以改变，作局部增强处理，或对某一方向的受力情况加以改变，可以结合用户的体力强弱、技能水平、性别、年龄等特征，进行多样化设计，以充分发挥体育器材的应用效果，满足用户的个性化运动需求。

2.2、阻尼性能好

碳纤维复合材料本身黏弹性较好，界面上的脱黏或微裂缝处存在较强的摩擦力，其在震动过程中能够借助这种摩擦力和黏弹性实现动能向热能的转化，与钢质材料或者是铝合金材料相比，碳纤维复合材料的阻尼性能更好，若现实设计需要，还可以通过相应措施来增加阻尼系数。

2.3、安全性能好

碳纤维复合材料当中的机体能够使其在受力情况下沿着纤维形变，各纤维的应变不会发生显著改变，甚至基本相同，除了断口位置的纤维无法发挥作用，其他大部分纤维依然能够正常发挥作用。个别断裂的纤维，并不会产生连锁反应，同时也不会对其他纤维的功能发挥造成影响和破坏，具有良好的安全性能，能够在运动过程中最大限度保护运动员安全。

2.4、抗疲劳性能好

相比于其他的材料结构，碳纤维复合材料具有较为稳定的结构。通过疲劳试验可以发现，其强度在试验过后仍能保留60%左右，但钢材以及铝材等材料，试验过后却仅能保留40%和30%，由此可见碳纤维复合材料的抗疲劳性能更好。因此，使用碳纤维复合材料制作体育器材，能够有效延长其应用寿命。

2.5、质地轻盈

在很多体育运动项目当中，具体如高尔夫、网球、滑雪、撑杆跳等等，对于运动器材的要求都比较高，这些器材都需要依靠人力使其运动，所以其质量越轻，应用起来就越省力，运动效果自然也会随之提升。当然，即便是机械带动的器材，具体如摩托艇以及赛车等，也需要考虑自身重量要求。相比于其他类型的材料，碳纤维复合材料质地轻盈，具有着无可比拟的优势，因此在当前的体育器材铸造方面应用十分广泛，能够满足人们对于运动器材轻质的需求。

3、CFRP 复合材料在不同运动器材中的实践应用

相比于其他类型的材料，碳纤维复合材料质地、设计自由度高，且阻尼性能、安全性能和抗疲劳性能良好。因此，在当前的运动器材加工和制造中应用十分广泛，具有十分优越的结构性能，应用效果显著。具体如网球拍、高尔夫球杆、撑杆、弓箭、自行车等等，能够满足人们多样化的运动需求，提高运动效果，具体内容阐述如下：

3.1、自行车

现代社会发展中，自行车作为一种重要的交通和运输工具，在人们的日常生活中应用十分广泛。与此同时，自行车还具有多种功能，具体如竞赛、旅游、健身等等。对于高档自行车而言，其对于结构部件要求往往较高，具体如座位支架、曲轴、车轮、车构架等等，碳纤维复合材料应用于实践当中，不仅能够对车体产生一定的美化作用，使其整体更加美观，还能提高车体本身的刚度及减震性，降低车体总重量，提高汽车舒适度。现阶段，碳纤复合材料也逐渐开始在比赛专用车中进行应用，能够很好地满足比赛要求，提高运动效果。

3.2、弓箭

对于射箭运动而言，射箭用具性能对比赛成绩有着较大的影响，尤其是射箭用具的比弹性在其中发挥着决定性作用，应用碳纤维复合材料制作而成的弓箭是目前最好的弓箭之一，可承受的弯曲应力较大，同时也能赋予弓箭以良好的射程和速度。相比于金属材料和玻璃钢，碳纤维复合材料的抗疲劳性能良好，质地轻盈，能够很好地延长弓箭的应用寿命，满足射箭运动项目发展要求。

3.3、撑杆

在大型体育竞赛当中，撑杆跳属于常见运动项目，在早期阶段，撑杆跳运动项目所使用的撑杆基本上都是由山核桃木制作而成，整体重量较大，同时也不具备良好的弹性，因而也会在很大程度上影响比赛选手的成绩。随着技术工艺的不断发展，木质撑杆逐渐开始被竹竿所取代，相比于木质杆，竹竿的弹性较好，有助于能量转化。进入20 世纪60 年代，在撑杆跳运动项目当中，运动员们逐渐开始对尼龙撑杆进行应用。随着时间的推移，玻璃纤维杆逐渐开始取代尼龙撑杆，在经过了数次变革之后，现如今，无论是尼龙撑杆还是玻璃纤维撑杆，都逐渐开始被性能良好的碳纤维复合材料所取代。在对碳纤维复合材料进行应用的过程中，设计人员可以结合撑杆受力差异，对不同部位的材质进行选择确保其整体性能最佳。全新研制的碳纤维材料撑杆，能够确保撑杆结实而柔软，不会发生扭结、断裂等情况。与此同时，它也有利于运动员助跑，在短时间内实现能量转化，在撑杆达到最大弧度之后，才能释放出来部分弹性变形，转化为运动员的势能，帮助运动员顺利地在空中跃起，跨过横杆，取得优异的比赛成绩。

3.4、高尔夫球杆

众所周知，高尔夫球属于一项高端运动项目，在参与这项运动的过程中，球杆是一切活动开展的基础，而应用碳纤维复合材料制作球杆，则能够减轻球杆的整体重量，通过动量守恒定理可知，当球杆头重杆轻时，挥杆速度将会得到进一步的提升，这会使高尔夫球初速度显著提升。除此之外，由于这种材料有着良好的阻尼性，能够将击球时间适当延长，所以高尔夫球会被击得更高、更远。

3.5、网球拍

在网球运动领域，网球拍一直都是该领域重点关注和改进的内容，随着实践研究的不断加深，网球拍逐渐向着轻量化以及大型化的方向发展，因为大型设计，使得其制作材料必须要具备较高的比模量、比强度，且要求重量较轻，所以目前的高端网球拍，大多都应用了碳纤维复合材料，通过对这种材料进行应用，相比于木质球拍，能够产生更好的网线拉力，确保在击球过程中，不发生变形的情况。与此同时，由于碳纤维复合材料具有良好的阻尼性能，因而也能带给运动员良好的舒适感，提高网球的初速度，帮助运动员取得良好的比赛成绩。

4、CFRP 复合材料在运动器材中应用的注意事项

碳纤维复合材料在不同运动器材中应用十分广泛，从某种角度上来看，也是我国体育运动事业不断发展的重要表现，但是在对碳纤维复合材料进行应用的过程中，要想最大限度发挥其应用效果，还要明确相关注意事项和基本原则。具体内容阐述如下：

首先，在体育运动当中，运动器材的好坏，将会对体育运动水平产生直接影响，对于运动器材的生产制造而言，材料直接决定品质，同时也会对运动开展产生直接影响。在对运动器械进行选材的过程中，通过对碳纤维复合材料进行应用，能够产生良好的应用效果。随着其应用范围的不断扩大，在应用过程中，也要明确相关注意事项：第一，就是材料的选择要与体育运动开展要求相符合；第二，在对碳纤维复合材料进行应用时，要重点凸显材料自身优势，具体如强度、柔韧性等等。此外，还要充分发挥其卫生清洁、舒适等优势，以最大限度提高运动器材价值；第三，碳纤维复合材料的应用还要注重环保，拓展材料的应用范围，推动运动器械制造朝着绿色、环保的方向发展；

其次，在体育运动器材制造中，对碳纤维复合材料进行应用，能够对器材的铸造材料进行丰富，同时也能有效提高运动竞技水平。在现代化体育器材生产工作当中，碳纤维复合材料的应用十分广泛。例如，在体育用品当中，对该材料进行应用，能够对体育用品内涵和形式加以丰富，在研发和创新运动器材时，对碳纤维复合材料进行应用，能够最大限度凸显运动器材性能，根据碳纤维复合材料的优势特征，可将其应用范围扩展至运动器械的研发方面，以最大限度发挥其自身优势；

最后，在现代化体育事业发展过程中，碳纤维复合材料的应用必不可少，其重要性也毋庸置疑。碳纤维复合材料的应用范围，以运动器材生产和制造为主，随着现代社会的不断发展，体育运动体系日益完善和成熟，要想更好地满足人们多样化和个性化的体育运动需求，就要加强对体育运动器材的研发和设计，生产和制造出应用性能良好的运动器材。因此，在对碳纤维复合材料进行应用的过程中，不仅要能够为现代化体育运动发展提供服务，同时还要重点考虑用户对产品使用的舒适感和体验感。从某种角度来看，用户只有亲自参与到运动当中，才能感受到运动器材的优越性能，实现对碳纤维复合材料的高效利用。除此之外，随着现代化体育事业的不断发展，在对碳纤维复合材料进行应用时，还要通过多种方式，积极应用各种现代化先进技术，促进其性能的全面优化，以最大限度提高其应用效果。

5、结语

综上所述，本文首先对碳纤维复合材料的发展历程进行简要概述，其次分析了该材料应用于运动器材的结构性能和价值，最后对具体应用途径和注意事项进行探究。总之，随着现代科技的不断发展以及体育事业的蓬勃发展，也对体育器材加工和制造提出更高要求，通过对碳纤维复合材料进行应用，能够对体育运动器材内涵加以丰富，为用户带来更加舒适的运动体验。现阶段，碳纤维复合材料在不同运动器材中应用十分广泛，结构性能十分优越，具体如自行车、弓箭、撑杆、高尔夫球杆、网球拍等等，能够满足用户的个性化和多样化运动需求，帮助运动员取得优越成绩。随着碳纤维复合材料应用范围的不断拓展，在今后应用过程中，也要对相关注意事项加以明确。只有这样，才能最大限度发挥其应用效果，促进我国体育运动事业的不断发展。