碳纤维复合材料在体育器材上的应用价值研究∗

佟 彬

（黑龙江科技大学体育部，黑龙江 哈尔滨150027）

碳纤维复合材料在体育器材上的应用价值研究∗

佟 彬

（黑龙江科技大学体育部，黑龙江 哈尔滨150027）

碳纤维复合材料由于其本身具有的良好性能被广泛应用于各个领域。就碳纤维复合材料在体育器材上的应用价值进行研究，分析纤维增强复合材料的特点以及应用到体育器材上的优势，再从选材、产品类型、应用实例等方面进行深入的分析探究。

碳纤维复合材料；体育器材；应用

1 前言

随着我国社会经济不断发展，人们的生活水平日益提高，体育健身成为人们的一种生活方式，既锻炼了身体又使心灵得到放松，所以体育深入到人们的生活之中。人们对体育的关注促进了体育事业的发展，体育事业的发展必定会催生更多的需求，例如对科学训练的需求，对新型体育器材的需求，这些需求必然会使体育器材的市场进一步扩大。本文就碳纤维复合材料在体育器材上的应用价值进行研究，目前为止，纤维复合材料的种种特点都促使其在体育器材领域得到了广泛的应用，体育器材是体育爱好者与运动员的必备武器，是他们提高锻炼效果与水平的基础。创新是发展的必备条件之一，碳纤维复合材料在体育器材上的应用是一种创新方式，也是未来体育器材发展的一个方向。

2 纤维增强复合材料在体育器材中的应用优势

木质材料、金属材料是以往体育器材的主要材料，而现在纤维增强复合材料逐渐被人们所接受并喜欢，纤维增强复合材料有其他普通材料所没有的特点，下面我们对纤维增强复合材料的优点进行详细分析。

2.1 质轻

人们借助体育器材进行锻炼，除了特殊项目的体育器材要求重量以外，一般都要求体育器材越轻越好，质轻有助于使用者更好地发挥水平，就像网球拍、球杆类、自行车等体育器材，甚至是帆船及赛车类这些需要借助动力的机械类体育器材也同样要求材料质轻，这样可以减少动力要求，节省燃料。所以质轻这个优点能够给运动者带来方便的同时还能节约能耗，可谓是两全其美。

2.2 具有良好的力学性能

纤维增强复合材料的强度、弹性及韧性都是极好的，这是普通材料所不能比拟的，而它的这些特点与体育器材使用过程中需要考虑的力学性能不谋而合，所以它是体育器材用料的绝佳选择。再次，纤维增强复合材料易加工，可塑造性强。普通材料由于自身性能的局限性，可塑造性差，一般坏了就很难恢复，而且修理费用颇高，纤维增强复合材料却没有这样的后顾之忧，它具有极强的可塑造性，所以设计起来更加随意多变，这是其他普通材料没法比的。

2.3 卫生、安全

综合来讲，纤维增强复合材料不仅具有优良的性能而且它还属于环保性材料，所以在卫生性及安全性上它还是很有保障的。而且有些复合型材料还是可以回收的，这就在一定程度上大大降低了制造体育器材的成本，这对于体育器材的发展与推广是非常有利而且是有价值的。所以纤维增强复合材料应用到体育器材中的前景非常广阔。

3 纤维增强复合材料选用的材料及结构

纤维增强复合材料主要选用无机纤维、高强高模合成纤维，结构是其增强专门用的结构。纤维材料一般选用两种或者两种以上混合使用，这样能够更好的满足增强效果。下面来详细论述这些材料的种类特点。

3.1 无机纤维

无机纤维可分为四种。第一种是玻璃纤维，此类复合材料目前已经被广泛运用，因为它的开发相对于其他复合材料是要早一点的。玻璃纤维最重要的优点是延展性好、刚度较大、冲击力强等。第二是碳纤维，碳纤维的主要优点是比强度与比模量高，这同时也造成它的粘附力差，再加上润湿度低，所以我们在使用碳纤维时要事先对其表面进行活化处理。碳纤维的主要优点是具有良好的耐热性、刚性及强度。第三是硼纤维，它的主要材料是增强树脂与金属，属于高强高模纤维的一种，它的性能是极佳的。第四是碳化硅纤维，其主要优点是易拉伸、比模量高、具有极高的耐热性，而且其可以与塑料、金属等多种材料进行复合，而且它具有良好的抗压性及耐磨性。

3.2 高强高模合成纤维

高强高模合成纤维可分为三种。 第一为芳香族聚酰胺纤维，其具有良好的粘结性，与树脂结合能够制作出特殊的丝纱织物产品，此类纤维的显著特点是能够耐高温、密度较低、强度与比模量相对较高，所以用它材料制成的体育器材具有较强的拉伸强度与弹性模量。第二为超高模量聚乙烯纤维，此种纤维显著的优点有：低密度、高强度、相对稳定、适应性好。但是同时它的粘着性较差，同样要用特殊方法将其表面进行处理后方可使用。第三为混杂纤维，何谓混杂纤维，它是指两种短纤维或两种长丝混杂, 又或者纤维组成的包芯与树脂基体进行复合，这都称为混杂纤维。混杂纤维因其多样性，所以可满足不同种类生产的需要及应用。

3.3 织物结构

织物结构是纤维增强复合材料中常用的材料，纤维材料间容易出现缠结、剪切效应，但是织物结构就能避免出现这样的缺陷，这是其显著的特点。应用织物结构形成的预成型件能够制作出具有多样性的产品，例如不同的形状、不同的结构，这样可以更好的满足多种需求。这种结构生产出来的产品与基体树脂结合比较简单，一次即可成型，省时省力。3.4基体树脂

基体树脂主要有不饱和树脂、环氧树脂、热塑性树脂三种。在三者中不饱和树脂的用途最广，环氧树脂的发展最快。不饱和树脂其主要特点是固化后可透明也可不透明，具有良好的坚韧性，但是耐光性差，上色容易；对具有腐蚀性的盐和酸具有相对稳定性；固化后的固体是可燃的，而且耐热性极差；质优价廉，方便取材，和大多数材料都能进行复合，所以它应用的范围比较广。环氧树脂其主要优点是粘结力佳，但是固化后产品脆度高易折，所以我们需要采取相应的手段进行处理，可在其中添加增韧剂进行调和，增加制品的韧性，改善其性能。最后，热塑性树脂，其初步开始在体育器材行业应用，例如尼龙、聚碳酸酯等热塑性树脂。

4 应用纤维增强复合材料制成的体育器材种类

4.1 高尔夫球杆

我们知道高尔夫球是一种贵族运动，球的初速度对于进行高尔夫球运动来讲至关重要，它对高尔夫球杆的要求甚高。传统的高尔夫球杆棒头是用柿木制成的，但是柿木较重，不利于运动员的随意掌控，后来出现了用缠绕法把碳纤维增强复合材料制成了黑杆，黑杆的出现使过去的球杆被淘汰。黑杆的棒头较轻，这样能够更好地提高球的初速度。另外由于复合材料的可塑性特点，黑杆可设计的维度更大，这样能够使球在飞行的过程中更加的稳定。随着复合材料及工艺的发展，对高尔夫球杆不断进行完善，使其在重量、尺寸等基础方面性能更加优异。具有高强度、高弹性的高档高尔夫球杆性能更加稳定，使用寿命增长，最突出的特点是使使用者能够完美地发挥高尔夫球技, 所以采用碳纤维复合材料制成的高档高尔夫球杆具有广阔的市场。

4.2 滑雪板

滑雪运动在近几年受越来越多的人的喜爱，而滑雪运动中的滑雪板却是关键性的体育器材，它对运动员的成绩起到至关重要的作用，而且关系到使用者的安全问题，所以我们需要针对这些问题想出相对应的解决方案。我们应该使滑雪板在重量上更轻，增强减震性能，延长使用寿命，所以复合材料是其绝佳的选择。采用玻璃纤维等复合材料能够制作出性能更加优异的滑雪板，它比以往的木质及金属材料的滑雪板要好得多，木质的易变形毁坏，而金属的适应性又极差，而复合材料滑雪板没有这样的后顾之忧，同时还能增加滑雪板的韧性，增加使用寿命。

4.3 网球拍

网球拍也是比较常见的体育器材，现在市面上的中高端网球拍都是采用的碳纤维复合材料制成的。它的主要优点是延展性好，可塑性强，可制作出具有良好减震性能的网球拍，而且设计的种类趋向多样化。碳纤维复合材料最早的应用实例出现在美国，之后其他公司相继效仿。首先，碳纤维复合材料可制造大型网球拍，此类网球拍是过去木制网球拍无法比拟的，同样的重量其延展性却大大不一样，复合材料制成的网球拍的面积是木质面积的1.5倍，同时其网线的张力也大大提高。质轻、比强度高、比模量高是碳纤维材料的主要特点，所以即便是大型网球拍采用碳纤维复合材料也能保证球拍的重量以及在拍打中不易变形。其次，减震吸能性能，碳纤维复合材料具有绝佳的减震吸能性。在网球运动进行时，球拍与球两个力的相互作用能够引起震动，而碳纤维复合材料制成的网球拍具有良好的减震效果，能够使振动的幅度降低，甚至不振动的程度，运动员的手能够感到振动减小，更加舒服。最后，网球拍采用碳纤维复合材料制作可以增加设计自由度，这是由于复合材料的特性决定的。

5 国内外碳纤维复合材料的应用情况

我国目前正在大力提高碳纤维复合材料的工艺，使其在体育器材市场进一步推广，为此做了不少的工作。早在20世纪60年代，上海的FRP撑杆就是用高模量玻璃纤维材料制成的，到20世纪80年代该材料的应用市场进一步推进，成功生产出了高模量玻璃纤维羽毛球拍。到目前为止，复合材料被广泛应用在水上运动器材领域，例如皮艇、划艇、帆船等。我国的这些复合材料制成的体育器材不仅供给国内运动员满足其需求，而且已经销往世界各地，发展状况良好。例如由武汉工业大学开发研制出的各类体育器材已经销往世界各个国家。与发达国家的发展程度相比，我国还稍微逊色一点。国外的复合材料与我国相比在技术领域具有明显优势，而且他们以此迅速占领市场，进一步推广复合材料在体育器材中所占的比重，国外发达国家已研制出更多种类的产品，成绩斐然，由此可以看出碳纤维复合材料具有较大的发展空间。

6 结语

碳纤维复合材料在国内外的发展潜力都是巨大的，且发展势头非常好。而且到目前为止，碳纤维复合材料已经占领了很大部分的体育器材市场，形成了一定的认知基础。随着社会的进步，人们对体育器材的要求越来越高，碳纤维复合材料顺应了时代的发展潮流，必定会有更广阔的发展前景。

[1]赵炳璞,高建和.体育运动对材料的依赖及面临的问题[J].中国体育科技,1997(9).

[2]杜希岩,李炜.纤维增强复合材料在体育器材上的应用[J].山东纺织科技,2007(1).

[3]胡依琴,柏勇,刘小湘.纳米材料在体育领域的应用[J].体育科技文献通报,2007(1).

[4]杜希岩,李炜.纤维增强复合材料在体育器材上的应用[J].纤维复合材料,2007(1).

The Application Value of Carbon Fiber Composite Materials in the Sports Equipment

TONG Bin
（PE Department of Heilongjiang Institute of Science and Technology,Harbin 150027, Heilongjiang, China)

Because of its good performance, carbon fiber composite materials has been widely used in various fields. This paper studies on the application value of carbon fiber composite materials in sports equipment, analyzes the features of fiber reinforced composite materials and the application in sports equipment of it, then carries on the in-depth analysis of material selection, product types, examples of application and so on.

carbon fiber composites; sports equipment; application

黑龙江省自然科学基金项目“电热碳纤维滑雪保温鞋的研制”，项目编号：E201358。

佟彬（1977-），黑龙江哈尔滨人，本科，讲师，研究方向：体育教学与训练。