基于纤维增强复合材料在体育器材上的应用

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　　摘要：由于我国经济得到了长足的发展，物质需求得到了极大的改善，已经基本满足人们的生存需要。因此，当前人们的追求不再是基本的温饱，而更多的是对一种高质量、健康的生活的追求。而在健康的生活的追求上，运动是高质量生活的重要组成部分。人们对于运动的重视程度以及需求程度越来越高。这一核心原因导致了体育器材这一运动领域中的分支也得到了很大的发展。尤其是在竞技体育中，要想实现更高、更快、更强，除了人自身素质和能力的提高，包括体育器材在內的运动相关科学技术也起到了关键的作用。高科技技术下的纤维复合材料由于其重量轻，强度高等显著特点，在体育器材中得到了广泛的使用。本文针对纤维增强复合材料，阐述了纤维复合材料常用的典型种类，分析了纤维复合材料在体育器材中应用的优势以及当前应用现状进行了研究。
　　关键词：复合材料;纤维增强复合材料;体育;体育器材
　　中图分类号：TQ340.42文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）05-0136-03
　　引言
　　由于改革开放，我国经济、科技等各方面都得到了长足的进步。人们的温饱这一基础的生存物质需求已经基本得到了满足。现在人们追求的是更好、更健康的生活。这一追求的转变，直接促进了运动领域的飞速发展。由对健康的重视，促进了运动领域的发展;运动领域的发展，又导致相关的运动器材等细分领域的茁壮成长。此外，如奥运会等高水平的竞技体育已经成为一个国家展示综合国力的重要途径。因此，与运动健康相关，尤其是与竞技体育相关的体育器材类产业得到了惊人的发展。一方面，大规模的高质量体育器材有助于安全可靠的全民运动的开展;而在竞技体育领域，作为除了个人体质、专业技能训练之外最为重要的促进体育竞技水平提高的因素，先进的体育器材能够显著提高某项运动的综合成绩。想要在某项运动中确保安全，或实现更高、更快、更强的目标，有必要持续对相关的体育器材进行升级换代。而体育器材的众多影响因素中，其材质是最为基础也是最为重要的影响因素之一。在众多材质中，纤维增强复合材料由于显著的质量轻，强度高等优点，在体育器材中得到了最大范围的应用，并且仍旧处在不断的研究与改进中，是可见的体育器材材质应用的一种潮流与趋势。
　　1在体育器材中应用纤维增强复合材料的长处
　　1.1质量轻
　　除了例如举重之类的对于器材的质量有特殊要求的运动，绝大多数的运动对于器材的质量要求都是越轻越好。器材质量越轻，运动人员越能够发挥出更好的运动水平。这是因为大多数的运动都是依靠人力或机械、自然动力驱使，而这些运动大多追求的都是速度、距离等，而质量对于这些目标都起到的是阻碍性副作用。因此，大多数体育运动对于器材的要求是质量越轻越好。传统的体育器材的材质大多数是金属、木材、竹子等，而相比于这些，纤维增强复合材料有着相同体积密度小、质量轻的显著优势。例如相比于传统的金属高尔夫球杆，相同性能参数的碳纤维材质球杆的质量只有金属的50%甚至更低，质量明显轻于金属球杆。
　　1.2机械性能优异
　　作为体育运动的直接辅助手段，所有的体育器材都要求有一定的强度、韧性等方面的要求，一些项目甚至器材的相关机械性能的好坏直接决定了运动人员的成绩。最为典型的实例就是撑杆跳。对于撑杆跳这一运动，杆的性能对于运动员的成绩起到了决定性的作用。在杆的长度等方面有限制的情况下，杆的强度、韧性以及抗震能力等机械性能的好坏又是决定杆质量高低的关键因素。撑杆的材料经历了木杆、竹杆、金属杆、到如今的纤维材质杆。由于纤维复合材质具有优越的强度高、韧性好等特质，纤维复合材质的杆的使用，使得撑杆跳的成绩相比于从前有了显著的提升。
　　1.3可设计性、可制造性优异.经济环保
　　纤维复合材质由于属于人工合成材料，其生产工艺能够随着人们对于体育器材的要求的发展而进行实时更新，不像其他天然材料受到其本质性能的影响，设计加工都存在着一定的局限性。并且随着生产工艺的进步，纤维复合材质的设计、加工成形会越来越便利。因此，由于纤维复合材质优异的可设计性和可制造性，纤维材质的器材的生产以及使用中的维护可以随着各种特殊的需求而改进。此外，随着大规模批量化生产工艺的实现，对于大众性质的纤维复合材质器材的生存加工及维护成本相比于采用传统天然材质来说要低，经济性优越。最后，纤维復合材质大多属于环保类，并且对于一些例如热塑性复合材质为主体的体育器材具有优良的回收再利用特性。综上所述，纤维复合材质的体育器材在设计、生产、经济性以及环保性等方面有着优异的特性。
　　2纤维增强复合材料的典型种类
　　2.1无机纤维类
　　在庞大的纤维复合材质族群中，其中重要的组成部分辨识无机纤维类。无机纤维又可分为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维以及碳化硅纤维等。
　　玻璃纤维应用较早，也是应用广泛的纤维复合材质之一。传统的玻璃材质虽然容易碎，但是当玻璃被一定的工艺抽成直径以微米为衡量单位的玻璃丝状物时，却具备了很高的强度以及韧性。玻璃纤维单丝配合树脂等介质，几百上千根单丝形成纤维原丝，而后通过一定的工艺形成体育器材，这一材质的体育器材具有显著的强度大、弹性模量大，稳定性好等优异特性。因此，玻璃纤维在体育器材领域得到了广泛的应用。美国的欧文斯科宁以及中国的巨石玻纤都是主流的玻璃纤维生产厂家。
　　碳纤维也是当前最受关注、应用最为广泛的纤维复合材质之一。碳纤维是通过沥青等基材通过一系列的处理工艺形成的具有85%以上含碳量的纤维材质。碳纤维之所以能广泛应用，其最根本的原因就是其拥有极其优异的性能。首先，碳纤维材质的比重比金属铝轻，仅仅是钢材质的25%，但是他的比强度却能达到铁的几十倍。且它的耐热性能优异，化学稳定性能优异。因此，碳纤维的研究与生产得到了全世界的重视，其中日本、美国的投入与研究最多，特别是在棒球棒的领域应用广泛。
　　硼纤维是一种重要的技术含量很高的纤维之一。硼纤维主要是以石英等为芯材，通过气相沉积方法制得。硼纤维的特性就是强度高、弹性模量高，主要用于增强树脂和金属类材质。例如，硼纤维增强环氧树脂就是用来生产高强度的体育器材的最为合适的材料之一。 　　碳化硅纤维是一种耐热性极其优异的材质，能够承受上千度的高温，再加上纤维材质的高强度、高韧性的特质，碳化硅纤维在一些抗冲击要求高的体育器材中应用广泛。
　　2.2高强高模合成纤维
　　高强高模合成纤维是除无机纤维以为的又一大类的新兴纤维复合材质，主要分为芳香族聚酰胺纤维、超高模量聚乙烯纤维以及混杂纤维三种。
　　芳香族聚酰胺纤维主要通过溶液法进行制得，除了纤维材质所具有的强度高、韧性好、稳定性高等特质，其弹性模量能够达到玻璃纤维的两倍，是一种技术含量很高的纤维材质，其生产性价比很高。
　　超高模量聚乙烯纤维与其他纤维材质相比，其综合机械性能都有显著的提升，强度更高、韧性更好、稳定性更高等，但是其生产加工要求比较高。因此，这一纤维材质在一些重要的核心领域中都有着广泛的应用。
　　混杂纤维顾名思义就是将两种或以上的纤维进行混合而形成的材质，能够具备两种纤维的特性，综合性能优异。此纤维的另一个优势就是能够通过混杂技术，使得纤维具备独特的性能，一方面是获得单一的纤维种类无法具备的特性，一方面也能通过成本低的纤维来实现对成本高的纤维的取代，提升纤维材质的经济性。
　　3纤维增强复合材料在体育器材领域的应用情况
　　由于纤维增强复合材质有着传统材质难以比拟的综合性能，再加上纤维生产工艺的提升，生产成本的降低等原因，纤维增强复合材质已经在航空航天、交通等领域得到了广泛的应用。而由于体育运动受到的关注越来越多，纤维增强复合材质在体育器材领域也得到了全面而深入的应用。国内外相关企业都在加大对纤维复合材质在体育器材领域应用的研究与投入。以下将对部分典型应用进行介绍。
　　3.1碳纤维材质在自行车领域的应用
　　早在上世纪八九十年代，西方国家就已经开始将碳纤维复合材质应用到自行车车架的设计和制造当中。这一碳纤维材质所制成的自行车，其强度可以达到传统金属材质的几倍，但是其质量却较传统金属材质自行车能够轻不少。因此，这一技术一经推出，就得到的广泛的关注与追捧。碳纤维所制成的自行车迅速取代了自行车竞赛中传统的金属自行车，也大大提高了自行车竞赛的成绩水平。当前，对于大规模批量生产，主要采用的是树脂传递模塑的生产工艺。
　　3.2纤维增强复合材质在羽毛球拍和网球拍中的应用
　　日本在上世纪70年代就有了使用碳纤维材质制造羽毛球杆的案例。而美国则是开启了使用纤维增强树脂材质进行网球拍制作的先河。相比于传统的球拍材质，采用纤维复合材质所制成的羽毛球拍和网球拍，首先第一个好处就是质量轻，有利于运动人员的摆臂发力。其次，纤维复合材质优异的延展性等机械性能，能够保证球拍能够经受长时间的使用，且有利于实现运动人员的技术水平。此外，纤维复合材质有着优异的减振特性，从而使得球拍的使用过程中，运动人员能够感受到较小的振动冲击效應，手感更为舒服。
　　3.3纤维复合材质在赛艇运动中的应用
　　众所周知，赛艇这一追求速度的运动，对于赛艇的性能有着严苛的要求。以前由于传统的赛艇材质的限制，赛艇显得又笨重，流水阻力又大。针对赛艇运动要求赛艇质量轻，强度要高防止被水流冲毁，流线型形状稳定性要强，防止赛艇变形增大流水阻力这些严苛的要求，当前最为主流的赛艇制造工艺就是采用混杂纤维增强复合材质作为赛艇的主用材质。通过利用混杂纤维的高强度、高稳定性以及低密度等单一纤维无法具备的优异的综合性能，完美的解决了赛艇运动对于赛艇的严苛要求。这一创新性举措早在上个世纪七十年代就由西方国家带来，今年来我国相关企业在此领域也得到了长足的进步，取得了不俗的成绩。
　　4总结
　　随着人们对于健康生活的追求，运动越来越受到全民的关注与参与。相应的体育器材也得到了长足的发展，并且未来发展的空间巨大。为了满足广大用户的运动需求，以及竞技体育的高水平要求，纤维增强复合材质以其密度低、强度高，韧性好，稳定性好等优异特性，在体育器材领域得到了广泛的应用和研究，并且还有着不断扩展和深入的应用趋势，值得我们投入更多的成本与精力进行研究。
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