在体育器材中性能优异碳材料的应用分析

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　　摘要：碳材料是自然界中常见的元素之一，其材料特性几乎能够达到目前所有应用材料所具有的各种性质。由于其材料种类和结构之间存在较大的不同，对实际应用范围也具有较大的影响。在体育器材中应用性能优异的碳材料，已经成为碳材料深入应用的八大行业之一，深入分析现阶段碳材料在体育器材中的应用情况，能够推进其行业应用程度不断加深，从而对体育事业的发展起到应有的促进作用。
　　关键词：碳材料;体育器材;应用
　　中图分类号：TQ327.9文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0075-03
　　体育竞技水平的高速发展和相关器材研究水平的不断提高，使得新型材料的应用范围愈加广泛，这一方面促进了体育器材在应用过程中的舒适程度，另一方面也能够科学的延长其自身的使用寿命。碳材料由于其自身所具有的各方面特性，得以在多种体育器材的生产研发中，运用到不同的环节中，从而具有较好的应用能力。
　　1 不同类型碳材料的性能和用途
　　碳材料是对含有碳元素并为主体的材料，其是一个统称的概念，在实际应用中，由于其电子轨道分布的不同，可以对其进行不同方面的界定，由于碳材料本身的性能跨度较大，只有部分性能优异的材料在实际应用中才会被引入到不同的体育器材设计中。通常情况下，这些常用的材料的应用范围包括以下5个方面
　　1.1碳纤维材料
　　碳纤维材料具有高比例的刚性强度和弹性漠量，通常是与其他材料配合在一起，用作不同材料的添加剂。
　　1.2活性碳纤维和玻璃碳
　　两种材料都具有比表面积大、吸附性能好的特点，其次根据不同的生产设计，还能使其产生较强的不浸透性，具有高度的耐热和耐腐蚀性能。通常情形下，这类材料是应用于环保吸附材料和电池电极的隔板，以及半导体元件的生产中。
　　1.3金刚石薄膜
　　金刚石薄膜同样具有较高的硬度和弹性模量，并且其具有高度的透光、发光性能和光交換性能;此外，较之于其他同类材料，其还具有耐磨的特点，因而被广泛应用于高温晶体管和激光器件等物品的生产过程中，同时也会应用于绝缘材料的生产中。
　　1.4石墨层间化合物
　　這类碳材料具有轻质和高导电特点，具有良好的电化学性和反应性，所以在大部分情况下被应用于与电有关的材料生产过程中。
　　1.5气相生长碳纤维
　　这类碳材料的性能主要体现在其结构上，具有中空和结晶性能好的特点，并且其状态可以加工成极细的状态，因而主要应用于增强和催化材料中。
　　2 碳材料在体育器材中应用的优势
　　在早期的体育器材生产过程中，多数使用的是传统的金属材料和木质材料等，这些材料的应用为推动体育事业的发展做出了重大的贡献，但是随着各种新型材料的不断涌现和竞技水平的不断提高，普通的体育爱好者也对体育器材的材料应用提出了更高的要求，以便不断提升自身的体育锻炼水平。
　　2.1碳材料同时材质轻、强度高的特点
　　相对于大部分的金属材料和木质材料而言，具有复合性能的碳纤维材料在具同等性能的情况下，密度较之于金属材料要小数倍之多，同时其弹性摸量依然能够达到或超出木质材料的水平。同时将这两方特性聚集与一身的碳纤维材料得以广泛应用于自行车、帆船、撑杆和高尔夫运动等各种体育活动的器材生产环节中，为满足其不同部位的用力需要而提供了更佳的支持。
　　2.2碳材料能够极大扩展体育器材设计的自由度
　　随着体育事业的不断发展，大多数具有竞技性质的体育项目已经开始朝着精英化的方向发展，以此带来不同类型的体育项目逐渐走向大众化的推广过程。在高度发展的摄影技术和计算机分析技术的支撑下，部分体育器材的设计已经达到了需要针对个人的竞技需要进行研发的程度，在其设计过程中，通过采集各方面的数据材料，在进行深入分析的基础上，可以针对体育运动员生理和心理发育的特征专门设计出符合其自身需要的体育器材，以便其能够在体育竞技活动中更好的利用器材，取得更加优异的成绩。对于大众型的体育活动中应用的体育器材而言，其也能够通过大数据分析，采用更加科学合理的方案，确保体育器材在使用过程中更加符合人体工程学的需要，减少体育活动开展过程中存在的隐患，从这方面而言，不断深化碳材料在体育器材中的应用，具有较强的现实意义。
　　2.3碳材料体育器材具有较强的安全性能
　　大多数的体育竞技和体育锻炼活动的开展过程中，都存在体育器材在应力作用下产生变形或者损坏等情况，这不仅会对运动员正常体育活动的开展造成一定的影响，在某些情况下还会对运动员的^身安全造成一定的危害，在这种情况下，如何通过材料应用的改变来提升体育器材的安全性能，就显得十分重要。由于碳纤维复合材料中的纤维具有高度的拉伸适应性，在体育器材的制造过程中添加适当比例的材料能够使体育器材在发挥损坏时，将其损坏部位控制在一定范围之内，从而给运动员流出足够的应急缓冲时间，从而提高其在体育活动开展过程中的安全性。
　　2.4碳材料体育器材具有较长的使用寿命
　　传统的体育器材在使用过程中，会产生较强的疲劳度，不仅会影响运动员的竞技成绩，对于普通体育爱好者而言，也是较大的经济负担。在有关学者的调查中发现，目前影响大学生开展体育锻炼活动的因素中，体育器材选购方面的经济原因，在其综合影响因素中占有较高的比例。而在碳材料技术的应用中，其强度保留率相对于传统材料而言，能够提升一倍至二倍之间，从而大大提高了其使用寿命，从而推动了体育锻炼活动的开展范围。
　　2.5碳材料体育器材的尺寸稳定性比较强
　　材料的尺寸稳定性指的特定材料在受到机械力、热或者其他外界材料作用时，其外形尺寸不发生变化的性能。由于各种体育活动开展的外界条件之间存在较大的差异性，其对尺寸稳定性的要求也有所不同，而不同的碳材料本身具有各自不同的特性，针对特定的体育项目，引入不同性能的碳材料，能够极大的提升体育器材的尺寸稳定性，从而帮助运动员提升自身成绩。 　　3 碳材料在体育器材应用过程中成型方式
　　不同的体育器材生产工艺之间存在极大的差别，其对碳材料应用的生产工艺也有不同的要求，在实际应用过程中，根据其制造工艺和应用范围的不同，通常采用以下4种成型方式。
　　1）拉挤成型技术
　　这种制造工艺的特点是适应与长尺寸体育器材的生产，并且可以根据需要进行批量生产，一般情况下，其通过在生产过程中对碳材料的控制，因而获得所需要的力学性能，但是就整体而言，这种方式的生产环节较多，生产工艺比较复杂，大多是应用于鱼竿、弓箭和撑杆等体育器材的生产中。
　　2）缠绕成型技术
　　缠绕成型技术从字面上理解，就是将碳纤维材料通过缠绕的方式固定在模具上，进而固化成为能够应用的产品。缠绕成型技术具有自身独特的优点和缺点，其优点就是能够科学设定缠绕成型方式，从而使纤维的性能得以最大程度的发挥，并且其制造方法比较简洁，缺点则是应用范围比较狭窄，大多是应用于体育器材的某一组成部分的生产环节中。
　　3）模压成型技术
　　这种技术的应用是将碳纤维材料与其他主要材料按照设定的比例混合放入金属模腔中，通过对应的温度和压力设定使其产生固化成型作用，进而达到生产目的。模压成型技术的应用范围比较广泛，生产效率能够得到极大的提高，并且其成型精度比较好，一般应用于结构比较复杂的体育器材制品中。
　　4）RTM成型技术
　　RTM是樹脂传递模塑成型技术的简称，这是来自于航空航天材料制造的技术之一，近些年来已经广泛应用于汽车和一些结构比较复杂的体育器材的生产之中。相对而言，RTM成型技术的应用，对于设计水平的要求比较高，但是其成型的灵活度比较高，产品具有较强的综合性能，一般在游艇和水上竞技项目中具有较为广泛的应用范围。
　　4 碳材料在体育器材应用中的实例
　　4.1在赛车车身方面的应用
　　提起赛车车身的材料，其主要考虑的方向就是碳纤维材料，将碳材料与钛合金、镁铝合金综合应用在一起，不仅能够减轻赛车本身的重量，还能够在发生碰撞的情况下吸附更多的能量，从而有效的对车手的人身安全起到相应的保护作用。但是就目前而言，碳材料在赛车车身制造过程中，还无法完全替代其他材料的应用，其应用性质更多的是为了通过试验来深入分析碳材料的性能，从而达到更加广泛的应用目的。
　　4.2在自行车生产中的应用
　　目前在一些较为普通的自行车生产过程中，已经开始不同程度的引入了碳材料，其在车体构架、前叉和车轮等不同位置上采用碳纤维复合材料，能够在一定程度上降低车体重量，增加运动员在骑乘过程中的舒适性。可以说这一应用极大的拓展了碳材料在大众体育项目中的应用范围，为大众体育的发展做出了巨大的贡献。
　　4.3在球类运动中的应用
　　碳纤维材料在球类运动中的应用范围是极其广泛的，除了我们平时所熟知的高尔夫球棒和网球拍等产品之外，其在足球和篮球的制造中，在一些球类的框架和球门制造中，也具有广泛的应用范围。碳材料在球拍等产品的应用上，主要具有舒适性好、减震性能好、阻尼性好和变形比例低等各方面的优点，不仅能够提高运动员自身的竞技成绩而且使其运动过程能够散发出更多的体育魅力。而碳材料在球架和球门中的应用，一般是不为常人所了解的，采用碳复合材料制成的这类产品，能够极大的保持框体自身的性能，确保其在运动员强烈的冲击下依然能够保持较高的应厨性能，不仅保证了比赛的公平公正，还能够确保比赛的整体流畅性，为观众提供更加美好的比赛享受。
　　5 结语
　　碳材料的研发和应用，已经有了多年的历史，并且在多种行业中得以广泛应用，就目前的发展水平而言，其在体育器材的应用中，大多还是集中在高端的体育竞赛活动中，随着未来研发水平的提高和制造成本的不断下降，其应用的范围必将不断扩展，从而为大众体育的推广做出更大的贡献，这就要求相关技术人员不断深入研究，将更多性能优异的碳材料不断应用于体育器材的制造中。
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