基于高新材料在体育器材中的应用

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　　摘要：在科学技术日新月异的背景下，高新技术在体育各个项目中都获得了广泛的应用，甚至成为体育运动项目胜负的决定性因素。纵观现代竞技体育，要想在竞技体育比赛项目中获得优异成绩，运动员不仅需要依靠系统且科学的训练，还需要借助高新体育器材的帮助，因此在竞技体育发展中要高度重视高新材料的开发、研制及利用。本文针对高新材料在体育器材中的应用展开分析。
　　关键词：高新材料;体育器材;应用
　　中国分类号：TQ050.4+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0082-03
　　随着社会经济的迅猛发展，人们生活水平有了显著提升，对体育生活品质愈加关注，而体育器材作为体育运动中的重要工具，也逐渐成为人们关注的焦点。不同材料的使用对运动员竞技水平的高低具有直接影响，因而人们对体育器材提出了更高的要求。高新材料凭借自身的优点，如易加工、延展性强、质量轻、耐腐蚀性好、强度高等，在很大程度上推动了体育器材的发展，对体育器材材料的改进与研制具有积极的意义。
　　1 材料在体育器材中的发展
　　对于现代体育竞技而言，其本质上就是科技的竞争，而高新材料的发展在体育科技水平的提高方面发挥着积极作用，通过高新材料的应用，能有效改进和优化体育器材的性能。信息、能源、材料是现代文明的重要支柱，也是人类适应、改造自然的重要物质，材料科学的重大发展能提高人类支配自然的能力，推动社会向前发展。材料是人们用于制作物件的主要物质，其具有繁多的种类，当前新材料的品种呈现出极高的增长速率，很多人工化合物都能发展为高新材料。一般来说，高新材料在体育器材领域的应用表现为间接和直接的应用，其中前者是指与信息报道、运动场地、指挥通信、裁判设备等相关的材料需求;后者是指运动员的比赛器材、运动帽、运动服装、训练器材、运动鞋、运动装备等。通常体育器材会随体育运动的发展而发展，传统体育器材基本来源于自然，如橡胶、金属、木材、玻璃、皮革等，是以最初的体育设定为依据而予以使用制备，相对简单，易于推广，能满足人们的体育竞技要求。然而随着现代竞技体育的发展，传统体育器材所用的材料已经无法满足实际运动要求，在特殊要求、可塑性、硬度、使用周期、耐磨性等方面有所欠缺，因此传统材料需随时代的发展和科技的进步而不断更新发展，并会在未来以全新的形象重新随体育运动的发展而发展。例如：乒乓球拍的材料由传统的木材使用到合成橡胶的应用，再到多层复合材料的运用。
　　2 高新材料在体育器材中的应用
　　2.1环氧树脂复合材料
　　环氧树脂主要是双酚A型环氧树脂，由环氧氯丙烷和双酚A缩聚而成，是指在一定试剂作用下，分子结构中含有的2个或以上的环氧基因进行交联，在此基础上形成类似三维网状固化结构的热固性树脂。对于环氧树脂的分子结构而言，其中含有环氧基、醚键、脂肪族羟基，这些物质能与硅酸盐、金属等材料极性表面发生分子间作用力，如：醚键能增强树脂分子链柔顺性，更好地扩散于材料表面层;滑性氧材料的表面能与环氧基产生化学键。环氧树脂具有极强的黏着性，将其用于跑道，能加快运动员的步频和步幅，促进运动员蹬地力量的提升，进而提高运动成绩。同时环氧树脂涂料的缓冲性、弹性、柔韧性、消音性较好，将其铺设于室内场地，不仅能减少比赛中的噪音感染，还能有效保护运动员的身体，减缓地面对运动员膝关节、脚踝等部位的冲击。除此之外，将环氧树脂和碳纤维、聚酰胺纤维用于滑雪板中，利用纤维缠绕工艺，能研制出弯曲强度高、抗冲击力好、高强度的新型滑雪板。
　　2.2不饱和聚酯复合材料
　　聚酯纤维在20世纪40年代初已经问世，是英国的J.T.Dikeon和J.R.Whenfield通过合成聚对苯二甲酸乙二醇酯而制作形成聚酯纤维。不饱和聚酯树脂指的是分子链上带有不饱和键的聚酯高分子，即：通过二元醇和二元酸的酯化反应来制作线型聚酯，然后将其放在适量的交联单体中进行溶解，通过交联固化而形成不饱和聚酯（热固性树脂）。目前不饱和聚酯的浇筑产品在用体育运动器材中的应用十分广泛，如保龄球、道具、助跳板、双杠、鱼竿、赛艇、单杠、网球拍等。
　　2.3石墨烯复合材料
　　以往研究人员认为石墨烯结构只能是理论模型，因其表面的张力过大而无法单独稳定存在，直至2004年被物理学家证实其能单独存在。石墨烯是当前世界上已知的最强、最薄、柔韧性强、导电性好、导热性好的纳米材料，其强度高于钢强度的100倍，甚至比一个碳原子的厚度还要薄。添加一定量的石墨烯，能显著提升石墨烯高分子纳米复合材料的耐热性、尺寸稳定性、力学性能、韧性。例如：相较于齿轮用WC-Co复合材料，石墨烯复合镁基材料通过添加10v01%石墨烯，其热疲劳寿命能增加209%;相較于商用AZ31镁合金材料，石墨烯复合镁基材料在20℃的情况下能减少89%的磨损体积。石墨烯高分子纳米复合材料凭借自身的优点，在体育器材领域有着广泛的应用，具体包括：①撑杆项目：撑杆的发展历经了竹制、尼龙制、玻璃纤维制的变革，现今步入到碳材料时代，将石墨烯添加到碳材料中，能增强撑杆的韧性和硬度，减轻撑杆重量，使运动员的竞技水平达到更高的高度。②专业户外运动服装：石墨烯材料具有抗静电功能、亲肤透气、防紫外线、抗菌抑菌性等特点，在专业户外运动服装中的应用十分广泛，如顶级汽车头盔中添加了石墨烯，重量仅达250g，发生意外时能有足够强度确保头部安全。③球拍材质：石墨烯复合材料的应用能促进球拍性能及强度的提升，如TK9000在3点和9点位置添加了石墨烯，使拍框质量有所提升，降低人力能量消耗，让运动员在击球过程中具有扎实的球感，增加进攻性能。
　　2.4碳纤维复合材料
　　碳纤维作为一种特殊的纤维，碳是其主要构成元素，并且含碳量会随种类的不同而有所差异，基本超过90%。碳纤维不仅具备一般碳素材料的特性，如耐腐蚀、耐摩擦、耐高温、导热、导电等，也具备自身独特的优势，如柔软、强度高、比重小等，同时碳纤维外形的各向异性极其显著，能加工成不同的织物。现阶段，碳纤维被广泛应用在各个领域，如：F1赛车和顶级跑车的车身结构基本都是采用碳纤维，以此提高结构强度气动性;比赛专用自行车的座位支架、曲轴、车构架等材料为碳纤维复合材料，能保证车体具备良好的减震性能及刚性;高尔夫球杆使用碳纤维复合材料制成，具有高阻尼特性，能减轻10%～40%的自重;利用碳纤维复合材料制成第四代撑杆，确保撑杆的结实及柔韧，提高运动员的竞技成绩;将比模和比强大、重量轻的碳纤维复合材料用于大型网球拍，有利于增大网球的初始速度。 　　2.5尼龙纤维复合材料
　　为增强尼龙的耐热性能，杜邦公司在1960年前后开始研究芳香族聚酰胺，主要产品包括Kevlar纤维（聚对苯二甲酰对苯二胺）和Nomex纤维（聚间苯二甲酰间苯二胺），其中Kevlar纤维结构中分子链呈现高密度分布的狀态，是由极性酰胺基与苯撑基交替组成，苯撑基比间位苯基直接影响着分子链的变刚性，而苯环能与酰胺基相组合形成共轭体系。值得注意的是，刚性苯环能让聚合物的热分解温度与玻璃化温度分别超过560℃与345℃，密度和模量分别是钢铁的1/5和3.5倍，断裂强度远超过其他材料;同时刚性苯环能让聚合物具有韧性大、阻燃、耐高温、质量轻、膨胀系数小、耐腐蚀、抗冲击能力强等特点。Nomex纤维结构中的苯环能阻止分子链内旋转，利用极性酰胺基形成氢键，使分子链间的作用力得以增大。可见，聚合物分子链的刚性大，能让聚合物具有耐潮湿、耐高能辐射、高刚度、高耐热、难燃、耐化学腐蚀、高强度等性能特点。利用芳香尼龙来制作三维纺织织物复合材料，能提高材料的抗冲击性和强度，在护腿板、防护服、护膝、防护手套等运动防护工具中有着广泛的应用。同时利用芳香尼龙制作的绳索具有耐潮湿、耐磨、尺寸稳定性好、强度高等特性，被用于降落伞、滑水绳、攀登绳索、滑翔伞绳等。另外，高抗冲尼龙一超韧尼龙Zytel ST是一种均匀分布于PA66A机体内的直径为0.1-1.0um的弹性体，冲击强度可达900～1020J/m，具有尼龙本身的耐磨性、挠曲性和耐化学性等，在运动防护工具中的应用较广，能保证防护工具的防震性能、透气性能和舒适性能。例如：美国退出的“大力士”泳衣，其是利用聚氨酯纤维和超细尼龙纤维制作而成，泳衣的重量仅为150-200g，伸缩性和平滑度好，与水的阻力明显小于以往传统泳衣。
　　2.6生物工程塑料
　　作为一种新型的合成材料，生物工程塑料具有性价比高、氧气透过率高、力学性能优良等特点，被广泛用于各种运动器械产品和体育设施，主要体现为：①运动场地方面。作为生物工程塑料的代表之一，硅橡胶的耐高温性能优良，能长期在180℃的高温下工作，甚至在200℃时也能工作一段时间，瞬时可耐300℃的高温，加上硅橡胶的强韧性和弹性相对出色，在各种场地中都有应用。②穿戴器材方面。生物工程塑料在运动服装、头盔、鞋袜、护具等穿戴器材中的应用，能提高器材的韧度和强度，使其具备良好的透气性，如长纤维改性符合材料利用特殊的拉挤工艺，能让穿戴者感到舒适安全，促进运动员专业竞技水平的提高。又如纳米运动衣的研制，将防霉变、防臭、抗菌等纤维用于水上项目的运动服部，如腰部、臂部、腋下等，有着极其重要的作用，尤其是夏天防霉、抗菌，冬天保暖、透气、防水和耐洗涤的红外皮运动裤，能很好地抑制水上运动员的“难言之隐”，减少湿疹病例及病毒性疾病。③户外运动器材方面。生物工程塑料的抗老化能力比一般材料要强，如将氨基化碳纳米管加入到碳纤维一环氧树脂复合材料中，能增强材料的耐高温性、耐热氧化性、耐盐雾性。这种材料用于徒步鞋、户外登山鞋或其他户外设施中，不仅能延长户外设施的使用寿命，还能提高设施的抗老化、抗氧化能力。
　　3 结语
　　随着社会的发展和科技的进步，高新材料在各个领域的应用将会愈加广泛，尤其是体育器材领域，也会被更多人所接受和认可，价格也越来越低。所以国家在发展现代竞技体育的过程中，必须要对高新材料的研制和利用加以高度重视，以满足人们对体育器材的智能化、个性化发展需求，实现体育事业的可持续发展。
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