基于体育器材的碳纤维复合材料实践运用

高芳芳 张琼 贾琳

摘要：碳纤维属于碳含量比较高的无机高分子纤维材料，具有外柔內刚的特性，质量非常轻，强度却很高。根据不同配比，将碳纤维与树脂融合，构成碳纤维复合材料。目前进行体育器材制造时，主要使用的材料便是复合材料，而碳纤维符合材料为最佳选择。通过新材料提高体育器材的整体功能，以此保证体育运动效率与质量。据此，文章主要对基于体育器材的碳纤维复合材料的实践应用进行了详细分析。

关键词：体育器材;碳纤维;复合材料

中图分类号：TQ342⁺.72文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0063-03

1 基于体育器材的碳纤维复合材料实践运用的优势

1.1质轻

以体育器材为载体锻炼身体，除特殊项目体育器材对重量有明确要求，其他的则是器材越轻越好，质轻有利与人们在锻炼时正常发挥，即网球拍、球杆类、自行车等等，甚至是帆船和赛车等需要以动力为重要辅助的机械类器材，也要求材料必须质轻，以此减少动力，节约燃料。因此，碳纤维复合材料的质轻特性可以为人们提供便捷，并且在此基础上，节约能耗。

1.2力学性能良好

碳纤维复合材料的弹性与韧性都非常好，是普通材料不能替代的，其特性与体育器材使用时，所需充分考虑的力学性能明确相符，因此，其是体育器材用料的最优选择。此外，碳纤维复合材料极易加工，可塑性较强。普通材料因为自身性能约束，缺乏良好的可塑性，出现破损时难以快速修复，并且修理成本比较高，但是碳纤维复合材料并不存在这些忧患，其可塑性非常突出，因此，在进行设计时，比较随意多变。

1.3安全卫生

总之，碳纤维复合材料不仅具备良好的多元化性能，还属于节能环保材料。因此，其安全与卫生保障完善。并且，其中部分复合材料还能回收利用，这就在很大程度上节约了体育器材制造成本，这将有利于体育器材的发展与推广。所以碳纤维复合材料在体育器材中的应用前景十分广阔。

2 基于体育器材的碳纤维复合材料应用现状

碳纤维具有其自身的独特优势，即低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电性与导热性良好、热膨胀系数比较低等。碳纤维的许多优异性能，促使其发展成了制备多元化结构与功能型复合材料的主要原料。而碳纤维复合材料则是碳纤维增强聚合物基复合材料与碳纤维增强碳基复合材料，已经在一定程度上实现了在航空航天、风电以及体育器材等相关领域的广泛应用。

2.1航空航天

碳纤维复合材料广泛应用，促使飞机重量显著缩减，节省了油耗，并降低了运营成本。而广泛应用复合材料所获取的低油耗与高巡航速度，促使飞机实现了点对点不经停的直飞。碳纤维复合材料以其耐高温、抗磨损与比热容较大等特性，备受飞机制动装置制造青睐，不仅可以节省40%结构重量，还能够延长制动盘使用寿命。

2.2风电叶片

风能属于清洁可再生能源，是无穷无尽的。在风电系统中，碳纤维复合材料主要应用在风电叶片与储能飞轮等方面。在风电叶片的长度超出40m的时候，便需利用碳纤维复合材料。当前，风力发电机组正在逐渐朝向大型化方向发展，而风轮的直径也超出了120m，最长叶片超过了60m，对此使用碳纤维复合材料，不仅可以显著缩减重量，还可以降低叶片成本，以及风电装置成本。

2.3体育器材

基于安全和减重需求角度，碳纤维复合材料在自行车、冲浪板、高尔夫球杆、滑雪板等方面的应用，是消耗量最大的碳纤维应用领域，大约能够节省5kt碳纤维，稳定性与可靠性非常好。

2.4碳纤维复合材料芯导线

现阶段，发达国家开发了碳纤维符合材料芯导线。碳纤维负荷材料芯导线主要是通过碳纤维符合材料芯制成的，强度较高，比重比较小，能够显著降低架线铁塔整体负荷，缩短安装工期，保证安全性与稳定性，而且不会出现钢丝引发磁损或热损的现象，输电损失比较小，节能效果较好。当前我国现阶段主要通过线路增容改造，在新建线路，尚未实现大规模全面推广，主要问题在于安全可靠、经济实用、运行稳定等等。

3 基于体育器材的碳纤维复合材料实践运用

3.1缠绕成型技术

在缠绕机上，把预浸料坯均匀并规律性地缠绕到转动芯模上去，然后进行固化并除去芯模，以此获取器材。缠绕成型技术不仅适合进行简单旋转体制造，即圆柱体或者球体、圆筒形制品等，还适用于非旋转体部件制造。显著特性是就器材受力状况，根据既定规律进行纤维均匀分布安排，以此将纤维的强度全面发挥出来，从而获取轻质并且强度较大的器材。而在工艺上，可以进行连续化与机械化生产，生产周期比较短，生产效率与水平较高，劳动强度相对偏低。但是其中也存在不足，即器材固化之后，还需要进行芯模去除操作，并不适合带有凹曲表层的器材制造，此方法适用于进行高尔夫球杆与钓鱼竿制造。

3.2模压成型技术

模压成型技术是基于封闭模腔内部，以加热与压力为辅助固化并制成复合材料器材的方式。模压成型时，模具主要包含阴模与阳模两大部分，其中增强材料则选择短切纤维毡、织物等等，模压成型技术的生产效率比较高，器材的尺寸标准，表层干净整洁，比较适合进行大批量、精确度与循环性要求高的体育器材制造。結构比较复杂的体育器材，可以一次性成型，不需要采取辅助加工，还可以避免对器材性能造成损伤，而且器材外观与尺寸循环性良好。但是缺陷在于模具设计制造太过繁杂，在初始投资的时候成本比较高，很容易受使用设施设备的约束。

3.3RTM成型技术

RTM成型技术，就是所谓的树脂传递模塑，是复合材料经常使用的成型技术。此技术主要是把纤维与预成坯铺放到密封模腔中，通过压力作用把树脂液传输到模腔中去，浸透纤维与预成坯固化之后，脱模成型为体育器材。此成型技术的优势在于可以制造出质量较高、精确度较高、孔隙率比较低、纤维含量非常高的复合型材料器材，不需要胶衣树脂，便能够获取更加光滑的双表层。体育器材从设计到投产整个流程，耗费时间比较短，生产效率与质量高。且RTM模具与成型器材能够利用CAD完成设计，模具制造简单，材料的选择面广泛。此外，RTM成型构件与管件极易实现局部增强或者制造局部加厚的构建，带有芯材的复合材料可以一次性成型。RTM成型时，不会大量挥发，可以在一定程度上保证操作工人身体不受损害，也会造成环境污染。当下利用RTM技术主要进行自行车与划艇主体部分大批量生产。

3.4拉挤成型技术

拉挤成型技术主要适用于进行碳纤维复合材料型材连续性生产。而拉挤就是纤维束或带状织物受外力牵引作用，通过浸胶、挤压成型、加热固化等，制造具备特定横截面形状与长度不受限的线型器材。其把通过浸渍之后的连续纤维基于具备截面形状的成型模具，基于模腔内实现固化成型，或者基于模腔内部凝胶与出模，然后加热实现固化成型，受牵引机械拉力的带动，能够连续牵出无限长度的型材体育器材。拉挤成型的工艺比较简单，生产效率也非常高。在进行体育器材制造的时候，增强纤维沿着轴向平行进行均匀排列，可以充分发挥其强度。而且通过纤维毡增强材料，可以制造具备向同性器材。而通过编织带能够在很大程度上提升器材横向强度。拉挤成型器材具备强度高、轻质、表层质量好等优势特性，其对各种类型体育器材而言，应用都非常理想，即弓箭、撑杆、滑雪杆等等。

4 碳纤维复合材料应用制成的体育器材类型

4.1高尔夫球杆

高尔夫球杆属于一项贵族运动，球在初始时速度直接影响着高尔夫球运动整体，其对高尔夫球杆要求非常高。传统高尔夫球杆的棒头是选用柿木制造的，但是柿木重量较大，很容易影响运动员掌控和挥杆，随后便衍生了缠绕法，以此将碳纤维增强复合材料制造成黑杆，以此代替了传统球杆。黑杆的棒头比较请，有利于提高球的初始速度。同时，因为复合材料可塑性比较强，黑杆的设计维度比较大，可以促使球在飞行时，更加稳定有序。在复合材料与工艺不断更新优化的趋势下，高尔夫球杆越来越完善，其重量与尺寸等基础性能越来越优异。而强度与弹性高的高尔夫球杆的性能也非常稳定，使用寿命也随之增加，最显著特性是使用者能够更加全面发挥出自身高超的球技，因此，利用碳纤维复合材料制造高尔夫球杆已经成为主要趋势，而且前景广阔。

4.2滑雪板

近年来，滑雪运动备受青睐，其中滑雪板则是关键的体育器材，与运动员最终成绩息息相关，并且与运动员的安全密切相联，因此，必须对此采取有效措施加以解决。在滑雪板制造上，应保证质量轻，减震性能强，使用寿命长，因此，最佳选择就是复合材料。通过利用玻璃纤维等复合材料可以制造性能良好的滑雪板，并且比传统木质和金属的滑雪板质量好，木质的容易变形损坏，金属的适应性较差，但是复合材料的滑雪板并不存在这些后顾之忧，还可以强化其韧性，延长使用寿命。

4.3网球拍

在体育器材中，网球拍比较常见，现在中高端的网球拍都是利用碳纤维复合材料制造的，其优势在于延展性与可塑性比较好，使得球拍的减震性能良好，并且设计类型越来越多元化。碳纤维复合材料最早的实践应用实例在美国，后续其他企业开始效仿。其1，碳纤维符合材料能够制造生产大型的网球拍，是传统木质球拍不能比拟的，相同重量，但延展性却存在显著差异，而且网线张力也明显较大。碳纤维的显著特性是质轻、强度高、模量高等，因此尽管大型网球拍也可以确保其重量与不变性;其2，减震吸能性良好。在網球运动中，球拍与球之间的作用力，可以引发震动，但是碳纤维复合材料的减震效果较好，可以降低甚至消除振幅，运动员手感振幅几乎不可见，非常舒适;其3，碳纤维复合材料制造的网球拍能够增加设计自由度。

5 结语

综上所述，碳纤维复合材料在国内外的发展潜力都比较大，而且发展前景良好。到现在，碳纤维复合材料已经在体育器材市场中占据了很大比例，并形成了一定程度的认知基础。在社会进步发展的推动下，人们对体育器材的要求也不断提升，碳纤维复合材料不仅符合时代发展需要，与时俱进，而且还具备广阔的发展前景，值得大力推广与应用。