运动器械材料的系统优化与性能评估

随着社会经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，全民健身已上升为国家战略。运动器械的品质和性能很大程度上取决于制造材料的选择和优化。只有科学合理地选用化学材料，并采用先进的改性和加工工艺，才能从根本上提升器械的安全性、耐用性和功能性，为广大健身爱好者提供更优质的运动装备和健身体验。

1 运动器械材料的基本要求

运动器械是一类服务于健身运动的专用装备，涵盖了力量训练器械、有氧运动器械和康复器械等多种类别。材料是构成运动器械的基础，对器械的安全性、功能性、适用性和耐久性等均具有决定性影响。从材料学角度看，运动器械材料需要具备以下基本特征：1）高比强度：在满足强度、刚度要求的同时，要尽量降低器械自重，提高运动控制精度和灵活性；2）高韧性：要有足够的断裂韧性和疲劳强度，确保在反复冲击、长期振动等复杂应力条件下，器械不会突然断裂、失效；3）良好的环境适应性。器械能置于高温、寒冷、潮湿及紫外照射等恶劣环境下使用，材料必须具有优异的耐候性、耐腐蚀性；4）阻尼性：要有一定阻尼特性，能够耗散多余能量，减少器械共振，增加运动稳定性；5）触感舒适：与人体直接接触的表面，需要硬度适中、摩擦系数适宜，并考虑抗菌、排汗等性能。

2 运动器械常用材料体系及优化策略

2. 1 金属材料的选用及性能优化

金属材料以其优异的力学性能和加工性能，在运动器械制造中得到广泛应用。其中，铝合金材料凭借高比强度、良好的耐蚀性和易加工特性，常用于制造器械的支架、连接件和传动部件等关键结构。以6系铝合金为例，其具有优异的可塑性，在管状构件和大型框架加工中有着显著优势。采用6061-T6铝合金制造健身车车架，可使整车质量降低15%，但承载能力提高20%。7系铝合金强度更高，在关键受力部件制造中优势突出。采用7075-T6铝合金制造划船机把手，在满足强度要求的同时，可使器械质量降低10%。钛合金材料以其高强度、高韧性和优异的生物相容性，在高端健身器材及康复器械中备受青睐。采用钛合金材料制造跑步机跑台，可使跑台质量较传统材料降低30%，并且表面硬度和耐磨性大幅提升，使用寿命可延长50%。不锈钢材料强度高，耐腐蚀性能优异，在大型力量训练器械中得到广泛应用。采用304不锈钢材料制造蝴蝶式腹肌训练器，其屈服强度可达205 MPa，较普通钢材提高50%。对杠铃杆和哑铃等器械，选用201不锈钢材料，可获得媲美奥氏体不锈钢的综合性能，成本降低30%，提高器械的性价比。

在金属材料的表面处理方面，采用新型高硬度陶瓷涂层可提升器械的耐磨性和抗腐蚀性。以跑步机的跑台为例，采用TiN涂层处理后，表面硬度可达2500 HV，是普通硬质阳极氧化的5倍，使用寿命可延长1倍。在杠铃杆表面采用DLC类金刚石涂层，可使表面硬度达到5000 HV。合金化是提升金属综合性能的有效途径。在铝合金中添加Sc可细化晶粒，提高强度；加入Yb可减少析出相，改善疲劳性能。在钛合金中添加Nb、Zr等β相稳定元素，可获得高强韧化材料。采用Ti-6Al-4V钛合金制造举重杠铃，屈服强度可达1100 MPa，比纯钛提高3倍，且韧性和抗疲劳性能显著改善。

2. 2 高分子材料的应用拓展

高分子材料以其优异的加工性能和材料设计灵活性，在现代运动器械中得到越来越广泛的应用。以碳纤维增强复合材料为例，其比强度是钢材的10倍，被广泛应用于球拍、自行车架、高尔夫球杆等装备的制造。在网球拍中，通过合理设计T型结构碳纤维铺层，可获得更大的甜区面积，挥拍更加犀利。在风洞试验中，碳纤维自行车架的风阻系数比铝合金降低15%，运动员骑行效率提高5%。在跑步机等大型健身器械中，采用玻璃钢材料制造跑台，可大幅降低器械整机质量。经冲击试验，玻璃钢跑台的冲击韧性是铝合金跑台的3倍，在8万次疲劳试验后，性能下降不到5%，充分保证了器械的安全性。在健身车及健腹轮等器材中，采用增强尼龙材料替代金属制造座垫、轮圈等部件，在降低器械质量的同时，还具有良好的耐冲击性和阻尼特性。经疲劳实验，尼龙链轮的使用寿命是同等条件下钢制的2. 5倍。泡沫类高分子材料在大型器械的缓冲减震系统中有着重要应用。乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）泡沫材料在8 Hz的振动频率下，损耗因子可达0. 65，减振效果是普通发泡橡胶的3倍。将EVA泡沫垫片应用于跑步机底座，可将减振性能提高30%。

高分子材料的功能化改性也是重要的优化方向。在跑步机跑带表面涂覆聚氨酯-聚四氟乙烯（PU-PTFE）涂层，可显著降低表面摩擦系数，延长跑带使用寿命。在哑铃表面通过等离子体接枝丙烯酸，可赋予其抗菌、防滑等功能，改善运动卫生环境。在高分子基体中添加纳米填料，可显著提高材料性能。在聚酰胺基体中添加1. 5%的碳纳米管（CNTs），拉伸强度提高30%，导电性提高3个数量级。在热塑性聚氨酯弹性体（TPU）跑步机跑带中添加改性石墨烯，耐磨性提高50%。合理的共混改性可赋予高分子材料新的性能组合。将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）与聚酰胺6（PA6）共混，可使材料的冲击强度提高50%。在超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）中共混苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS），材料的冲击韧性可提高1倍。

2. 3 新型复合材料的应用

复合材料通过宏观复合与微观调控，可实现传统材料无法企及的性能组合，在现代运动器械中得到广泛应用。以碳复合材料为例，其密度仅为钢材的20%，但比强度高出5倍。在网球拍中应用该材料，球拍反弹系数提高10%，手感更加舒适。在大型健身器械的连接结构中，采用钛合金粉末与PEEK树脂热压成形而成的梯度复合材料，强度可达钛合金的90%，但韧性提高50%，可有效防止连接点开裂。在自行车轮圈中采用碳纤维/陶瓷颗粒复合材料，经动态力学分析，在200 Hz频率下，复合材料的阻尼系数是碳纤维的3倍，盘型刚性提高20%，运动更加平稳。在家用多功能训练器的缆绳中，采用液晶聚合物纤维与纤维复合，拉伸强度可达5 GPa，是钢丝绳的10倍，且具有优异的抗变形性能，使用寿命是尼龙绳的5倍。在智能化运动器械中，将PVDF压电材料与碳纤维复合，制备出兼具自感知和自修复功能的新型材料。将该复合材料用于羽毛球拍，可实时监测击球点位置和力度，并通过反馈回路调节拍框刚度，击球成功率可提高5%。

3 运动器械材料性能的评价

3. 1 力学性能的测试评价

力学性能是评价运动器械材料的首要指标，其中包括强度、硬度、韧性、疲劳性能等。静态力学性能主要通过拉伸、压缩、弯曲等常规试验获得，如测试跑步机跑台的抗弯强度，测试羽毛球拍拉线的拉伸强度等。动态力学性能的评价需要在频率扫描和温度扫描等条件下进行，以获得材料的动态模量、损耗因子等。如测试网球拍在球拍线冲击频率下的阻尼系数，测试高尔夫球杆在不同温度下的储能模量等。对于复杂应力条件下的关键结构，还需进行多轴疲劳、热-力耦合等实验，以全面评价材料在实际运动中的力学性能。如测试铝合金自行车架在不同温度梯度下的踩踏疲劳寿命。先进的仿真模拟技术为力学性能评价提供了有力工具。通过有限元分析，可对跑步机减震系统的固有频率进行预测和优化设计。采用流固耦合仿真，可模拟自行车头盔在风洞中的气动阻力特性。

3. 2 材料与人体的生物力学评价

运动器械服务于人，因此材料与人体的生物力学匹配性至关重要。人体压力分布测试是评价器械舒适性的重要手段。采用压力传感器对坐垫进行测试，可获得压力分布云图，找出局部应力集中点。生理参数监测是评价器械运动友好性的有效方法。如监测运动员在跑步机上运动时的心率变化，评价缓冲减震系统对心血管的影响；监测运动员手持羽毛球拍时的肌电信号，评价球拍质量和平衡性对肌肉疲劳的影响。人体运动捕捉技术是开展运动器械人机工效学研究的利器。采用运动捕捉系统，可精确测量各关节点的运动轨迹，评估不同材料球拍对挥拍动作的影响。

3. 3 环境适应性能的评价

优异的环境适应性是运动器械材料必备的品质属性。高低温循环试验可评价器械在户外极端温度下的性能稳定性，如测试高尔夫球杆在-20～50 ℃温度循环1000次后，力学性能下降不超过5%。盐雾试验可加速评价器械的耐腐蚀性能，如测试铝合金自行车架在48 h中性盐雾试验后，表面腐蚀面积不超过0. 5%。

3. 4 加工工艺性能的评价

材料的可加工性直接影响器械的制造成本与性能稳定性。注塑成型指数可表征塑料的流动性，注塑成型指数过低会导致注塑周期过长，注塑成型指数过高则易产生流纹。切削加工性能可通过钻孔和铣削试验获得。如在铝合金中添加锡，可使其切削时屑断裂率提升20%，切削力降低10%，极大改善其切削加工性能。对于钣金冲压成型，材料的延展性和回弹性是关键评价指标。在钛合金高尔夫球头的冲压成型中，采用小应变速率成型技术，可使材料的成型极限提高15%，回弹量降低20%，从而提高生产效率。

4 结语

运动器械的品质提升与创新发展，很大程度上依赖于材料技术的进步。只有立足材料的宏观选择、微观设计和加工制造全流程，并遵循“以人为本，因需而变”的研究方针，才能不断推陈出新，研制出满足健身需求的优质器械产品。未来，运动器械材料的研究应紧密结合体育运动的国际发展趋势，围绕功能化、智能化、绿色化等方向精准发力。

汤云雄 （云南体育运动职业技术学院图书馆，昆明 650228）

刘雄 （云南师范大学基础教育集团，昆明 650228）

郭慧阳 （云南体育运动职业技术学院马克思主义学院，昆明 650228）

2024年云南省教育厅科学研究基金项目（No. 2024J1533）资助