芳纶及其复合材料在体育器材中的应用
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作者:贾琳
摘要：芳纶材料作为一种新型高科技材料，是冷战时期军备竞赛的产物，最早被用于航空航天领域。随着冷战的结束，逐渐走入民用领域，芳纶复合材料在体育器材中的应用就是其中非常成功的一种。文章着重分析了芳纶材料的特性以及其在体育题材上运用的优势;结合案例对芳纶材料提升体育器材使用强度、耐久度以及帮助体育爱好者、专业运动员提升成绩的价值进行了综述;最后对芳纶材料与其他纤维材料混合加工为基础的未来发展情况进行了展望。
关键词：芳纶材料;复合材料;体育器材;应用
中图分类号：TQ334 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）10-0083-03
芳纶1313最早诞生于20世纪60年代末，是彼时美苏两国冷战及军备竞赛的产物。随着冷战的结束，该材料的应用领域逐渐从军事航空领域走向民用领域。随着近些年国民生活水平的提升，中国百姓对体育锻炼和体育文化娱乐的欲求越来越高，传统的体育器材材料如金属、木料等逐渐因为重量过重、耐久性差等缺点而被体育爱好者及专业运动员抛弃。
芳纶及其复合材料由于具备密度小、阻尼抗震性能强、易加工成型等优点，自进人体育器材领域以来便广受体育领域喜爱。芳纶及其复合材料除包括纤维增强复合材料外，还包括与其他材料如碳纤维等纤维材料加工而成的层压织物或增强复合材料等。对其在体育器材上的应用优势进行分析，并结合案例对其未来应用领域拓展进行展望，能够为该行业从事科研及加工的工作人员提供借鉴。
1芳纶及其复合材料应用于体育器材上的优势
1.1密度小
通常情况下，相同类型的体育器材质量越轻则越容易提升运动水平，尤其专业经济领更是如此。最原始的木质材料虽然重量较轻，但是由于其本身材质力学性能较差、耐用性低而逐渐被金属材料取代;金属材料具有较强的力学性能和易加工性，但与芳纶材料相比则仍存在密度过高的问题，因而逐渐又被芳纶材料取代。目前广泛使用的芳纶材料密度低至1.44～1.45g/cm3远低于铝合金的密度（2.030-2.859/cm3），也要低于碳纤维材料的密度（1.76～1.80g/cm3）。因此，芳纶及其复合材料在用于同类型体育器材时具有非常大的优势。
1.2力学性能好
具备优良的力学性能和稳定性是某种材料被用作体育器材制造的基础条件。通过对比玻璃纤维、碳纤维及芳纶材料的力学性能可知，芳纶的强度和模量均比其他两种材料高，同时芳纶材料最优秀的力学性能是0°拉伸强度，远远高于玻璃纤维材料或碳纤维材料，但是其90°拉伸强度较差。因此，芳纶材料通常会在加工过程中通过与他种纤维材料进行混杂加工的手段调整产品性能。
1.3阻尼性能好
对于某些运动来说，需要运动员使用具有较强阻尼性能的运动器械，通常是使用芳纶复合材料制成的产品。这是因为相比于传统的金属材料，芳纶具有更加优良的阻尼减震性，其运动吸能效果远高于普通金属材料。近期有研究人员发现，芳纶材料与玻璃纤维材料混合加工而成的复合材料中Kevlar和玻璃纤维比例的增加能够促使复合材料阻尼系数的进一步提升，而芳纶材料与碳纤维材料混合加工而成的复合材料中碳纤维材料比例的提升会降低复合材料的整体阻尼系数。通过掌握这一规律能够用来制造和加工阻尼系数需求更高的运动器材。
1.4可设计性及加工成型性更强
芳纶材料能够与多种纤维材料进行融合加工，因此具有了非常强的可设计性。当某些体育器材需要的特殊性能发生变化时，只需要对复合材料中的组成比例进行一定调整或者改变某些纤维种类就能够达到生产要求。因此，芳纶纤维具有其他材料如木材、金属、碳纤维等材料不具备或难以实现的可设计性。此外，芳纶复合材料能够通过各种形式进行加工，这些都是芳纶材料与其他材料相比具有的可设计性优势和加工成型性更强的优势。
1.5安全环保
体育器材除要求有较好的力学特性等优点之外，环保也是其能否被广泛开发和使用的要求之一。假如某一体育器材在使用或生产加工过程中会产生大量的污染，无疑会令本身追求健康的体育锻炼目标大打折扣。芳纶材料的纤维密度小，但是强度高且耐磨、耐腐、性状稳定，因此，使用芳纶材料代替某些纤维材料如石棉纤维等，能够避免这类型材料给使用人员带来的污染和伤害，在某些运动中可以被用来制造手套、头套或其他防护用品。
2芳纶在体育器材上的应用
2.1防护工具
安全健康地进行体育锻炼或体育竞技，没有良好的防护工具是不行的。尤其在某些抗击性运动，如拳击、自由搏击、击剑等运动中，优良和完善的防護工具是开展该类型运动的基础。在传统的防护工具生产中，多以海绵、橡胶、皮革等材料为主进行生产加工，然而随着时代和科技的进步，传统材料加工而成的防护装备逐渐因为体积大、笨重、不具备良好的透气性能等被人诟病。尤其在高强度、高水平的竞技比赛中，传统的防护工具由于佩戴不舒适且防护性能差，严重影响了运动员经济水平的发挥和对自身的保护。采用芳纶材质加工而成的防护工具具有远高于普通材料的透气性、防震性能，同时由于芳纶材料强度高、密度低，更加适合专业高水平运动员的需求。尤其在赛车运动、冰雪运动项目中，芳纶与树脂复合加工材料制成的防护物、头盔等能够有效应对运动中出现的高冲击性撞击，能够有效降低运动中事故中对运动员的伤害。
2.2乒乓球拍
传统的乒乓球拍通常采用木质胶合板加工而成，该类型球拍具有重量大、反弹差等缺点。之后研究人员发现，采用芳纶与碳纤维复合材料加工成型的特种纤维底板能够完美解决传统球拍强度差、重量大等缺点。同时，使用该类型球拍进行击球时，由于本身材料的刚性很强，能够帮助运动员击打出反弹力大且速度更快的球。与此同时，得益于其中芳纶材料的使用，球拍的阻尼减震性能优异，为运动员带来了更加清晰的击球手感，避免了纯碳纤维材料手感差的缺陷。 2.3帆板
帆板运动进人我国的时间较短，但在欧美一些发达国家则已经拥有了较多的参与人员并形成了较多的世界级比赛。芳纶材料多用于帆板船的板体，通过手糊或层压的的加工工艺将芳纶及其复合材料与板体材料进行融合。采用该加工工艺的帆板板体能够有效实现板体的轻量化设计，同时能够抗海水腐蚀且长久使用不变形。除此之外，芳纶材料还会被部分应用于帆板中的拉帆索和角索的设计加工工艺中。由于芳纶材料加工而成的帆板器材使用效果较好，已被众多专业帆板赛事所使用。
2.4自行车
自行车尤其高端自行车已经逐渐从单一的交通工具发展成为具有健身、竞赛等多种使用方式的综合类器械。高端自形成通常大面积采用纤维材料制成，具有质量轻、强度高等优点。芳纶及其复合材料多用于高端自行车链条部位的生产和加工。采用芳纶材料制成的自形成链条具有高载荷、高延展性等优势，能够一定程度上降低运动员消耗，提升运动员成绩。
2.5滑雪板
专业的滑雪运动通常由两类：①下坡滑雪，该类型滑雪运动除需要滑雪板具有低重量、高强度的特性外，還要求滑雪板能够针对运动过程中产生的弯曲振动和扭转振动提供较强的控制能力，即要求滑雪板使用材料具有较强的阻尼特征;②越野滑雪，该类型滑雪运动同样要求滑雪板具有低重量、高强度的特性，此外还要求滑雪板具有较好的耐磨性和吸振性能。芳纶材料的出现与滑雪板的要求完全契合，能够帮助运动员在进行滑雪比赛或由角度滑行时，能够在轻松、稳定的状态下进行。同时芳纶材料较长的使用寿命，也大大降低了该类型运动的整体成本。
2.6绳索
芳纶及其复合材料制在绳索领域使用非常广泛。由于其本身具有强度高、耐磨、耐腐蚀的优点，使用芳纶材料加工而成的划水绳、帆船角索、登山绳、速降绳索具有拉力大、抗大风的优秀能力。国外某企业利用芳纶和复合纤维加工工艺加工制成的绳索已经被广泛应用于体育器材、船舶器材和服饰用绳索的各个领域。
3结语
综上，芳纶材料由于具有明显优于传统材料的物理性能和环保性能逐渐被体育爱好者和专业体育运动员认可。其在体育器材领域中的应用越来越广泛。文章在分析芳纶及其复合材料物理特性的基础上对其应用进行了案例说明。相信在今后对芳纶及其复合材料研究越来越深之后，能够有效解决目前该类型材料的一些缺点，如压缩强度低以及不耐紫外线照射等。并且随着使用价值的提升，将会有越来越多的厂家投人到芳纶材料体育器材的生产中，到时该类器材的价格应该能够获得较大幅度的下降。芳纶材料应用于体育器材领域将成为今后体育器械生产加工领域的重点研究内容之一。
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