碳纤维材料在体育器械领域的应用价值分析

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　　摘要：得益于自身良好的刚性、耐腐蚀性，碳纤维符合材料自发明以来已被广泛应用社会生活、生产的各个环节，如航空航天、交通器械、体育器材、医疗器材等。由于碳纤维材料具有质量轻、刚性强的特点，用其加工而成的各种体育器材、产品在该领域得到了非常广泛的好评。研究以碳纤维材料的优势和特性综合分析为基础，对其应用于体育器材上的各种产品应用价值进行了综述，并结合案例论述了碳纤维材料在高尔夫球杆、滑雪板、网球拍等器械上的应用进展。
　　关键词：碳纤维材料;体育器械;应用价值
　　中图分类号：TQ127.11 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0045-04
　　随着经济全球化的实现和我国国民生活水平的不断提高，我国国民对于体育健身的需求逐渐向西方发达国家靠拢。高尔夫、网球等运动逐渐因为其轻松、健康的运动形式受到越来越多的中国百姓喜爱。群众对体育的关注和认可极大地促进了我国体育产业的发展和进步，同时人们对高质量体育器材的追求也对我国体育器材生产、加工提出了更高的要求。
　　碳纤维材料由于具有质量轻、强度高、耐腐蚀且较易加工的特性，在应用到体育器材领域后迅速扩大规模，逐渐成为体育爱好者及专业运动员青睐的体育器材使用材料。尤其在高端器械领域，碳纤维几乎是高端体育产品的必须材料。因此，针对碳纤维材料的特性进行分析，发现其在体育器械中的应用优势并积极开发某些领域的创新性产品，是当下我国体育器械领域必须研究的方向之一。
　　1 碳纤维材料在体育器材中的应用优势
　　现代体育运动的目标是“更快、更高、更强”，因此在体育设施以及健身器械方面有了更高的要求，需要适应现代体育运动的发展理念和步伐。在体育和健身运动中，体育设施和运动器械的质量至关重要，甚至可以直接影响运动员在运动项目中的运动水平和发挥，而制作器械的材料可以决定体育器械和、健身器械的优劣，也是影响前者发挥的最重要因素之一。当前，我国体育器械和健身器械选用材料的情况有了更多的发展和优化，具体如下：多种新型材料混杂使用，并且塑料和先进复合材料等到更多范围的应用。本文此部分将重点介绍塑料及复合材料在体育器械和健身器械等活动方面的选材和应用原则。
　　1.1质量轻便
　　体育器材的应用诉求不同，对材质和重量的要求也相差很大。就重量来说，并不是说越轻便越好，因为一些增肌器械对重量是有严格要求的，除去对重量有要求的体育器材，像羽毛球、网球等球杆类运动和自行车、帆船、赛车等需要借助动力的体育器材，为方便使用并节省动力，材质当然是越轻便越好，因此碳纤维材料在这一领域可大有发展。对于运动来说，所使用的的器械一般来说都是靠人力来推动或使用，所以要求器械质量越轻越好，比如运动鞋（包括跑鞋）、自行车、皮划艇、桨、运动衣（包括游泳衣）、赛艇、滑雪板、撑杆、冰鞋等一系列体育用具;还有一些靠机械力供人们健身运动的器械，在额定功率设定好的情况下，如果材质轻盈也是可以达到最佳健身或使用效果，例如电碰车、马鞍、赛车、电动游乐船等设施。对于大多数体育设施来说，质地轻盈可以实现便捷携带收纳、快速安装、拆卸，甚至维修起来也更加方便;并且由于材料质地轻盈，可以实现更好的阻尼减振性，因此像操场的跑道以及体育场馆地板都会选用该类材料来铺设。质地轻盈是塑料及复合材料的一个显著特点，然而不同塑料及复合材料的性能、密度也互有差别，常规来看，复合材料的密度稍大于塑料。
　　1.2力学性能良好
　　碳纤维材料具有强度高、弹性好、韧性好的特点，这是传统木料和金属所不具备的，但却是体育器材在使用过程中所必需的，这一应用优势再次证明，碳纤维材料是体育器材的绝佳选择。其良好的力学性能的集中体现是可塑性极高，因此不用担心损坏了需要花费高昂的維修费用，碳纤维材料在体育器材中的应用，可以说从根本上解决了体育器材可塑性差的问题。
　　1.3安全性和卫生性优良
　　以上碳纤维材料在体育器材中的应用优势综合体现出，碳纤维材料是可回收再利用的新型环保材料，安全性和卫生性优良，因而可大大节约体育器材的生产成本，这些优良特点成为碳纤维材料可在体育器材领域大有作为的优势。
　　1.4成型加工性好
　　在众多的体育设施和运动器械性能中，良好的成型加工性也是塑料及复合材料制作体育器械和健身器械的基本条件之一。热塑性塑料及其合金可以通过吹塑、注塑、挤出、热成型等方法进行加工得到体育器械成品，相对来说比较容易。还有一些其他先进复合材料（不管是热塑性树脂基复合材料还是热固性树脂基复合材料）在成型性方面显示出困难较大。尽管如此，随着在体育健身器械材料领域的不断研究和成型技术持续发展，可以开发出具有良好加工性能的方法，进而得到各式各样的健身体育器械成型制品。在当前先进复合材料的成型技术中，主要有真空袋成型、热压罐成型、压制成型、压力袋成型、缠绕成型、软模成型、拉拔成型以及树脂传递模塑成型（RIM）等多种加工工艺。此外，在一些一般复合材料中也可以采用常见的手糊成型、片状模塑（MS）C成型、喷射成型和层压成型等制作方法，例如在制作游乐船和艇时，就采用的手糊成型技术来制作。
　　1.5耐老化性好
　　在体育运动和健身活动时，大多数体育设施和运动器械需要在户外进行使用，易受到太阳光等紫外线的照射，另外还有大气中所含的氧、臭氧和某些酸性气体的相互作用以及雨水的浸蚀等，昼夜温差的变化以及其他原因（如季节、地理位置）导致的高低温的交替，容易使耐候性较差的材料产生老或者表面龟裂及颜色改变等现象。因此要求器械所用的塑料及复合材料需要具备有良好的耐老化性。在一些露天体育场馆和设施中此类要求更加明显，如跑道、滑雪场的围栏、场馆地板等，否则严重影响使用寿命。
　　2 碳纤维材料常用选材
　　制成碳纤维材料的常用选材是无机纤维与高强高模合成纤维，有时也选用两种或两种以上的混合纤维，增强效果会比单独一种纤维要好。以下为有关碳纤维材料常用选材的详细论述。 　　2.1无机纤维
　　常见的无机纤维有四种类型，分别是玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维和硼纤维。
　　玻璃纤维是最早开发运用的复合纤维材料，因而目前的利用率也是最高的，其刚度大、耐冲击、延展性好的优良特点也是目前被广泛使用的一大原因。第二类的碳纤维在生活中常见，因为它的比强度和比模量都很高，而且耐热，刚性和强度都不错，它的优点多，但同时缺点也很明显，例如润湿度低、黏附力差等，但并不是没有解决办法，我们可以在使用碳纤维之前对其进行表面的活化处理。第三类的碳化硅纤维是在碳纤维基础上的优化，因而耐磨、抗压、延展性好、比模量高、耐热性强，并且可与金属和塑料等其他材料符合。第四类的硼纤维属于高强高模合成纤维的一种，以增强树脂和金属制成，性能极佳，应用前景广泛。
　　2.2高强高模合成纤维
　　高强高模合成纤维主要有4种类型：芳香族聚酰胺纤维、混杂纤维和超高模量聚乙烯纤维。
　　芳香族聚酰胺纤维的粘结性能良好，密度低、耐高温、强度大、比模量较高，与树脂融合后是制成特殊丝纱织物的重要纤维，因而可用于制作体育器材中有较高的拉伸强度要求和弹性模量的器械。第二类的混杂纤维指由两种短纤维或两种长丝或粗纤维组成的包芯与树脂基体的合成材料，因合成材料多样，混杂纤维的体现并不唯一，所以可满足不同种类的生产与应用需求。第三类的超高模量聚乙烯纤维优点与缺点都很明显，它的优点如高强度、低密度、适应性好、稳定性高等，缺点如黏着性较差等，因而在使用前必须以特殊方法对其表面进行处理。
　　2.3织物结构
　　织物结构是一种材料，并且是碳纤维材料中的优异材料。一般的纤维材料很容易出现缠绕或剪切效应，但织物结构不会，这是它成为优异碳纤维材料的最重要原因。此外，织物结构的优异还体现在可满足体育器材制作的不同形状及结构的多重需求，因为利用织物结构形成的良好预成型件，可制作出不同形状特点的产品，与基体树脂进行组合再造也更加便捷。
　　2.4基体树脂
　　基体树脂有三种类型，分别是不饱和树脂、热塑性树脂和环氧树脂，其中应用比较广泛的是不饱和树脂，而发展最快的是新型的环氧树脂。
　　不饱和树脂质优价廉、方便取材，这是它被广泛应用的一大原因，此外，不饱和树脂的坚韧性极佳，接触盐和酸等腐蚀性物质也可保持相对稳定，且固化后透明度可人为操控，透明或不透明均可，上色容易，固化后的固体是可燃的，可与其他材料复合，缺点是耐光性和耐热性较差，因为在使用时要注意。
　　热塑性树脂是新材料，在体育器材领域刚刚崭露头角，具体体现为尼龙、聚碳酸等热塑性树脂。
　　发展最快的新型环氧树脂具有极强的黏结力，但是用固化环氧树脂制成的体育器材脆度较高，易折易断。克服这一缺点的具体办法是可添加增韧剂，以调和脆度、增加韧性、改善性能。
　　3 碳纤维材料在体育器材中的具体应用
　　3.1高尔夫球杆
　　作为一种“贵族运动”，打高尔夫球对器材的要求是很高的，尤其是对球杆，因为它直接影响球的初速度，这是高尔夫球运动的关键。初代球杆的主要用材是柿木，但是这一材料密度高、质量大，不利用挥杆使用，因而促使着人们去寻求新材料改善高尔夫球杆。接下来出现了黑杆，它是以缠绕法制成的碳纤维增强型复合材料器材，梆头更轻，因而能很好地控制高尔夫球的初速度，并且，黑杆的可塑性更高，未来还有更多的设计可能和可发挥空间。
　　随着生产工艺的不断进步和对复合材料的继续研究，相关研究人员对高尔夫球杆的改善还将持续不断的发展，未来的高尔夫球杆在尺寸和重量等基础性能上会更加优异，或许会出现高强度、弹性极佳、寿命更长的高档高尔夫球杆，高尔夫发烧友的球技也能更完美地呈现。综上，碳纤维复合材料在高尔夫球杆的设计制作中拥有广阔前景。
　　3.2滑雪板
　　随着冬季奥运会在中国的首次举办，滑雪运动在我国也受到了越来越多人的关注，而滑雪最必不可少的就是滑雪板了，无论是职业选手还是普通玩家，一個好的滑雪板不仅能带来最好的运动体验，还能最大限度地保证安全。而怎样才算是好的滑雪板呢？质轻，减震性能良好，使用寿命长。由此可见，碳纤维复合材料是制作滑雪板的最佳选择，其中又以玻璃纤维为最优，它没有普通木制、金属制或塑料滑雪板易变性、易损的缺点，而且韧性更强，使用寿命更长。
　　3.3网球拍
　　市场上的网球拍良莠不齐，高中低档都有，价位不等，悬殊较大，但中高档网球拍基本上都是碳纤维复合材料制成的，因为可满足网球拍对延展性和减震性的要求，结合碳纤维复合材料可塑性好的特点，网球拍的外观设计也有了更多选择。此外，碳纤维材料在制作大型网球拍方面具有先天优势，与传统木质网球拍相比，同样的重量，碳纤维材料制成的网球拍比传统木质网球拍大一倍多，因延展性好，碳纤维型网球拍的网线张力也更好了，而且质量轻盈、比模量高，符合网球运动对器具的要求，便于运动员使用和发挥。
　　3.4水上运动设施设备
　　水上运动器材比如：帆船、赛艇以及水上摩托等都是最常用到塑料及复合材料作为原料制造的体育设施设备，其中单独就赛艇来说，芳纶纤维可以用于制作艇身帆布的原材料，玻璃纤维增强塑料可以作为制作艇身骨架的原材料，泡沫夹层板则是制作桨或桨杆的最佳材料。对于皮艇划艇的选料，不饱和聚酯树脂复合物和碳纤维增强塑料都可以作为艇身骨架材料，而桨或桨杆材料可以用环氧树脂复合物和碳纤维增强塑料来制作。除此之外，冲浪板、滑水板等外层的制作可以用纤维增强塑料和聚氨酯泡沫复合材料，在内层的制作上就可以采用乙烯基酯树脂和聚氯乙烯复合材料，效果达到最佳。
　　3.5其他运动健身设施和器械
　　在运动设施或健身器械中塑料材质制品多种多样，最常见的种类包括体育跑道及地板、自行车、运动衣及游泳衣、游泳池等，其中有一些器材可以用纤维增强塑料的诸多优势性能去代替金属材料，比如自行车车架、车轮等部件，工艺上把卷装碳纤维增强塑料经过热压成型制作整体车架，车架内芯用泡沫塑料进行填充;另外，还可以将热塑性塑料通过整体注塑而成型，轻便型或儿童型自行车可以采用此制作工艺。游泳池一般可以采用不饱和聚酯树脂复合材料和无捻玻璃布来作为原材料，通过手糊法和层压方式制作而成。室外操场、室内体育馆的塑胶跑道或塑胶地板已逐渐代替掉传统的水泥或沙土材质，塑胶跑道的多层结构可以更好的辅助人们进行锻炼运动。 　　当前我国人民生活水平有了明显提高，随之人们的运动健身意识也逐步增强，常见室内健身器材有：动感单车、跑步机、蹬腿练习器、仰卧板、划船器、健骑机、台阶器、蝴蝶机等。室外设置的健身器材一般有：太极推揉器、太空漫步机、伸腰训练器、扭腰器、腰背按摩器、压腿器、蹬力器、上肢牵引器等，在住房小区和公园等诸多健身休息区可以见到。这些健身器材大多都是用塑料来制作挡板、外壳、仪表盘、扶手防护和脚垫等，因为塑料具备良好的耐磨性和优异的力学性能大大方便了人们对健身器材的使用。还有一些比如腰背按摩器，腿部按摩器等按摩作用类器材，PP或者PP/ABS混合材料就用于制作主要起按摩作用的部分，这是因为PP材料弹性好，制品在使用过程中舒适度高且不会对身体造成损伤;耐磨、耐腐蚀性也是其主要特性，可以有效延长按摩器置于室外环境时的使用寿命。
　　4 未来体育健身器械材料的发展趋势
　　经过改革开放的深入发展，我国体育行业也有了明显的发展，并且积极改革传统的器械材料和制作工艺，为进一步实施全民健身计划做出有效铺垫。近年来随着我国国力增强，国家对体育行业也进行了大力扶持，使得国民体育和健身器械产业得以蓬勃快速发展。根据国家对体育产业和国民健身计划的指导意见，体育行业发展将进一步加速，年产值也会大幅提升，将成为推进我国經济发展的重要力量。经济的高速发展的同时，由于人们的生活水平不断得到改善和提升，国民体能素质也越来越高，体育健身的意识也开始逐步增强，对于促进我国体育健身设施设备的的不断完善有巨大推动作用，同时该类健身体育器械设施覆盖范围也在不断扩大;各地区举办体育赛事的次数和规模也有显著的增加，这类体育活动不仅调动了全民健身运动热情，更是助推体育设施得以完善的良好契机。体育设施设备的不断更新和高要求高标准，带动了新型塑料及复合材料的迅速发展。新型材料的出现，使得优质器材不断出现，为我国体育运动和运动健儿也带来了巨大助力，同时彰显了大国的实力，经济和全民体育文化齐头并进，共同发展。
　　5 结语
　　综上所述，碳纤维复合材料在将其优势运用到体育器材加工工业中之后，迅速取代了传统的木质、铝制器材，成为体育器材尤其高端体育器材市场中的领头羊。目前全球范围内的碳纤维体育器材加工生产领域发展势头良好。然而，随着人们生活水品的继续提升，体育器材的对碳纤维应用的领域还要不断增强，因此本文针对碳纤维材料在体育器械领域中的应用进行了分析，希望为同行业人员提供参考和借鉴。
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