体育器材生产中碳材料的应用方法

李洲鹏

摘要：碳材料所具有的优异性能决定了其在多个行业中都具有广阔的应用空间，在碳纤维及其复合材料研发水平不断提升的情形下，其应用成本也在不断降低，逐渐带动相关领域的应用水平不断提高。文章从碳材料在体育器材生产中的应用优势出发，对相关的应用方法进行说明，对碳材料在未来体育器材生产领域的前景进行展望，以期对行业发展做出贡献。

关键词：碳材料;碳纤维;体育器材

中图分类号：TQ050.4⁺3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0071-03

碳材料在不同生产工艺的作用下，能够充分将自身的局部优势得以发挥，在竞技体育和大众体育不断发展的推动作用下，对于体育器材生产的要求也不断提高。碳纤维及其复合材料在体育器材中的广泛应用，不仅能够极大提升人们日常体育锻炼的水平，还能够更加丰富人们的日常生活，为社会的精神文明建设做出贡献。

1碳材料在体育器材中的应用优势

1.1橫向应用范围广

人类社会应用碳材料的历史较为悠久，对于人类社会发展和生产生活水平的提高起到了极大的促进作用。碳纤维及其复合材料可以通过对应的技术手段处理，将其电子轨道改变成为生产需要的各种组合形式，从而具备所需要的物理和化学性能。这些不同的性能不仅能够满足实际生产生活的需要，还能够使其在替代其他产品时较之原本的材料具有更加优异的性能。正是基于这点特性出发，使得碳材料从原本在航空、航天、电子等高端产业的应用逐渐覆盖包括化工、机械、汽车、医学和体育器材等各种不同的民用领域。这从一定層次上而言，可以说明碳材料具有广泛的应用范围。

1.2纵向应用周期长

目前在碳材料的应用中，主要有金刚石、线型碳、碳纤维、活性碳纤维、玻璃碳、金刚石薄膜、石墨层间化合物、气相生长碳纤维、中间相沥青基碳纤维、碳化硅晶体和碳复合材料等。这些不同类型的碳材料具有不同应用范围，其性能之间也具有较大的差异。例如金刚石而言，其具有高热传导率、低热膨胀系数、低摩擦系数和高硬度等特征，因而在高精度生产和电子行业具有较高的应用程度。碳纤维材料与金属材料相比具有高强度、高模量、低密度和线膨胀系数小等鲜明特征，因此在包括运动器材在内的民用领域内具有高度的应用。对于这些材料而言，无论是应用何种对应的领域内，都能够极大的发挥出其自身所具有的特性，使得材料和产品性能得以极大的提升，从而使产品在其所擅长的特性上得到更加突出的发挥，也使得产品的应用周期更长。尤其是对于体育器材而言，在专业运动员的使用过程中消耗程度较之正常的使用水平有着几何式的增长。将对应的碳材料应用于体育器材的生产中，不仅能够提升竞技水平的成绩，还能够改善体育器材的使用性能，提升运动员的运动年限。

1.3应用前景广阔

目前对于碳材料的研究已经进入了相当深入的阶段，并且其研究体系还在不断发展和丰富之中。按照学界目前统一的看法，碳材料已经发展到第4代产品，但是其应用范围还仅局限在实验室和高端产品的生产中，随着相关产品的技术研发水平不断提高，碳材料性能也会得到更大的程度的扩展，因而会在更加广阔的市场空间中得以应用，为人类的生产生活带来更大的便利。

2碳材料在体育器材生产中的应用

在碳材料研发和生产技术不断提高的背景下，第3代碳材料已经有10多种类型应用于民用生产之中，第4代碳材料也开始应用于各类场景之中。由于体育运动形式的多样化，基于体育器械的分类和实例来说明碳材料的应用方式已经无法满足研究的需要，本文基于碳材料自身的分类出发，对其应用范围和应用方法进行简单的说明。

2.1碳纤维复合材料

就一定意义上而言，碳纤维复合材料并不是单一种类的碳材料，而是将碳纤维与树脂和金属类材料通过工艺处理之后形成的新型材料，在工艺处理的过程中，其就可以根据应用的需要进行一次成型设计。碳纤维复合材料的优势是多方面的，首先是其在同等质量的情况下，强度可以达到钢铁强度的5倍;其次碳纤维材料的耐热和耐磨性能也比较高，并且还能够承受极大的力学强度。正是由于这些突出的性能，使得碳纤维材料可以应用于多种独立的体育器械或者大型体育器械的组成部分。就实际应用范围来说，碳纤维材料可以应用在各类球类的球拍、高尔夫球杆、专业运动自行车、各种类型的船桨、跳高运动的辅助器材、赛艇和帆船的船身结构等。采用碳纤维复合材料能够根据运动形式的不同和运动员个人发挥特征的需要进行独立设计，合理规避传统材料的限制，在设计自由度提升的同时促进运动员能力的充分发挥。

2.2石墨烯及其复合材料

石墨烯在碳材料的分类中属于第4代应用中的一类，在实际生产过程中应用较为成熟的复合材料类型包括石墨烯橡胶和石墨烯纤维2种，此外还有其他类型的石墨烯技术正在处于不断成熟之中。石墨烯橡胶材料在整体上具有较为复杂的特性，包括高电导率、机械陸能好、高热稳定性、较好的摩擦性能和更低的疲劳生热性能等。由于其合成技术的不同又被分为多种不同的类型，这些不同类型的产品通常具有以上特性中的2-3种，从而能够满足不同体育运动器材的生产需要。石墨烯纤维材料的优势则是主要集中在拉伸强度、断裂强度和抗压强度等各个方面，此外部分材料在压缩模量上也具有一定的优势。根据石墨烯及其复合材料的特性，目前投入应用的体育器械主要集中在篮球鞋、自行车轮胎、球拍制造和户外运动服装等方面。但是石墨烯及其复合材料的应用受制于其成型技术和生产成本的影响，目前在竞技体育器材的生产中还受到较大的限制，而在大众体育的体育器材生产中，几乎还是一片空间，未来具有更为广阔的市场空间。

2.3纳米碳材料

纳米碳材料是将碳材料与纳米技术结合在一起的科技方式，它指的是分散相尺度至少有一维小于100mm的碳材料。现在的学术界将纳米碳材料分为碳纳米管、碳纳米纤维和纳米碳球3种类型，在实际应用过程中碳纳米管类型的应用最为广泛。纳米碳材料的应用目前在棒球、曲棍球、网球、自行车和水上运动中已经得到了不同程度的应用，通过这些材料和生产技术的应用，能够使体育器械的重量极大的降低，具有更好的弹性，并且极大的提升运动员的舒适感，确保运动员更加稳定的发挥，以此提升运动员的体育成绩。但是纳米碳材料在实际应用过程中也同时显示出了较强的副作用：①纳米碳材料的结构使其在运动员使用过程中可能会通过皮肤进入身体器官内，从而对运动员的生理健康造成未知的危害。②在碳纳米材料技术研究差距较大的情况下，具有极大辅助性能的运动器械和装备会造成竞技体育活动外在的不公平，进而导致内部不公平现象的存在。但是就整体上来说，竞技体育水平的提升和纳米碳材料的研究水平是互相促进的关系，在未来的体育事业发展过程中，其应用空间必将会更加广阔。

3碳材料在体育器材生产中的成型技术

由于碳材料形成工艺和应用场景的不同，在应用于体育器材的生产中时需要采取对应的成型技术，以确保其性能得到良好的发挥。一股情形下，碳材料在体育器材生产中的成型技术主要包括以下4种：拉挤成型技术、模压成型技术、缠绕成型技术和树脂传递模塑成型技术。在生产棒状、管状和较长尺寸的体育器材时，通常采用拉挤成型技术，例如弓箭、撑杆等器材的生产，同时还能够通过不同工艺对其力学陸能进行调控。模压成型技术在实际生产过程中具有较高的生产效率，可以达到规模化生产的要求，所以更多的被应用于大众类型的体育器材生产中碳材料的应用环节。缠绕技术的应用是通過专用机械设备的作用将浸润后的碳纤维材料固定在相应的模具上，这种方式大多是应用于具有曲面结构的体育器材中，并且具有生产效率高、综合成本低的特征。树脂传递塑模成型技术在一些流线型体育器材的生产中具有较大的优势，具有成型便利，成型结构稳定的特征，尤其是在自行车和船体结构的制造中，应用范围较为广阔。整体上而言，碳材料在体育器材生产中的成型技术是基于其自身特性与体育器材性能要求而产生的，在未来的生产应有过程中，还将会出现多种不同的成型技术，以促进碳材料的应用范围更加广泛，性能也将更加优异。

4碳材料在体育器材生产中的前景

碳材料的应用虽然已经有了较为悠久的历史，但是目前人类对其认识水平从发展阶段上来说还处于初级阶段，随着研究水平的提高，在未来还将具有更加广阔上升空间，因此在体育器材生产中具有广阔的前景。就竞技体育来说，目前碳纤维材料在赛事类体育器和检测类器材中都得到了广泛的应用。这不仅对运动员赛事水平的发挥起到了极大的促进作用，而且能够通过对应的技术手段实时监测到运动员的生理生化指标，为运动员的训练计划提供更加科学的参考依据。而在大众体育方面，随着碳材料的生产成本不断降低，其将会由目前的高端材料逐渐转型成为普通材料，从而更加广泛的应用于普通的体育器材生产中。尤其是在穿戴类器材的发展中，由于碳材料独特的性能，可以在大众群体在进行体育锻炼时起到更好的保护作用，提升普通民众参与大众锻炼的积极性，为全面健身活动的开展和人们精神生活的丰富提供更加有利的支持。但是就目前的发展水平而言，我国的碳材料研究水平距离日本和美国之间还有较大的差距，尤其是在高端碳材料的研究上，还存在较大的差距，这是相关从业者在未来研究中的努力方向。

5结语

碳材料的应用本身具有广阔的发展空间，随着我国经济水平的不断提高，在国家相关部门的大力推动下，在市场因素的指引作用下，我国已经出现了生产水平较高的专门从事碳材料体育器材生产的企业。在未来的发展过程中，碳材料的研发水平必将不断提高，其生产成本也将不断降低，从而能够应用于更多的体育器材的生产中，为我国体育事业的发展起到重要的推动作用。