碳纤维增强复合材料特性及其在体育器材中的应用

刘 冬 ,谢 佳

(新疆工程学院,新疆乌鲁木齐 830000)

碳纤维属于无机高分子纤维材料，其含碳量高于很多同等类型的其它材料[1-3]。与铝相比，碳纤维的质量更轻，但强度更大，甚至大于钢的强度[4]，其产品形式包括四种[5-7]：第一种是纤维；第二种是布料，也就是由碳纤维制成的织品；第三种是预浸料坯，即按照固定的方向，将碳纤维依次排列，并用树脂浸渍碳纤维或布料，使其转化为片状形态；第四种是切短纤维，又称短丝。在应用中按照相应的配比将这些材料与树脂融合在一起，也就形成了CFRP。目前大部分体育器材使用的材料为复合材料，而CFRP 在各种复合材料中更是首选[8-9]。当前已有多个案例中出现使用新材料来提高竞赛中体育器材的性能，从而提高体育竞赛成绩的现象[10]。

1 碳纤维增强复合材料作为体育器材的优势

1.1 质量

从体育器材的运动方式上来说，大体上可以分为两类：一类是借助人力运动的器材，比如撑竿、网球拍、自行车、皮划艇等；另一类是借助其它动力运动的器材，比如赛车、帆船等。无论是哪一类器材，当其它条件一致时，器材质量越轻，运动速度将会越快，比赛结果也会相对更好。碳纤维复合材料的密度仅为1.76g/cm3～1.80 g/cm3，所制复合材料密度为1.50g/cm3～1.60 g/cm3，这一数值远远低于其它金属材料，因此CFRP 的质量优势得以呈现。

1.2 阻尼性能

碳纤维材料的聚合物黏弹性较强，基体和界面上有微裂纹和脱黏的地方还存在摩擦力，这些摩擦力和黏弹性使得部分动能在振动过程中逐渐转为热能。因此，与钢和铝合金相比，CFRP 的阻尼更大，在特定措施下，还能进一步加大阻尼。

1.3 破损安全性

在基体作用下，当沿着纤维方向对碳纤维复合材料施加拉力时，各纤维的应变基本一致。由于基体传递应力，已经断裂的纤维只有断口处失去功能性，其它大部分的纤维仍然可以正常使用。也就是说，在个别纤维断裂后，不会引起后续的连锁反应，不会导致整体结构的急剧性破坏，因此碳纤维材料具有较强的破损安全性能。

1.4 热膨胀性

在室温环境下，碳纤维的热膨胀系数基本上为负值；在200℃～400℃的环境下，其热胀系数为0；在1000℃的环境下，其线膨胀系数为1.5×10-6K-1。

1.5 疲劳强度

碳纤维复合材料的结构比其它材料稳定性更强。通过百万次循环应力疲劳试验，发现钢材复合材料的强度保留率只有40%，铝材只有30%，而碳纤维复合材料的强度保留率高达60%，这也是碳纤维复合材料制成的体育器材拥有更长寿命的重要原因。

1.6 比强度和比模量

碳纤维复合材料的比强度分别是杉木材料的4 倍、梧桐木的3.4 倍、钢材的7～12 倍；比模量分别是杉木的3 倍、梧桐木的4.4 倍、钢材的3～5 倍。在高比强度和高比模量特性下，碳纤维复合材料比其它材料更适合用来制造质量轻而强度大的制品，尤其在体育材料的制造中更具优势。

1.7 设计自由度

复合材料成型技术的应用增加了设计自由度。纤维复合材料具有各向异性，在这一特点下，纤维铺叠方向和方式的改变可以在局部上增强某一方向的受力状况，从而使体育器材的作用和应用价值得到充分发挥。这也是CFRP 与其它同类型金属材料相比的一个独特优势。

2 产品形式与成型技术

CFRP 在合理的设计下可以整体成型，从而省掉很多组合型架和装配型架，节约成本支出。在科学技术的发展下，体育器材的成型方法多种多样。

缠绕成型：在专门的缠绕机上，将预浸料坯均匀缠绕在转动芯模上，通过固化、除去新模来获得最终的制品。这种方法一方面在圆柱体、球体等简单旋转体的制造中较为适用，另一方面也适用于非旋转体部件的制造。其成型特点是根据制品的受力情况，将纤维按照一定规律进行排布，使纤维强度得到充分发挥，最后得到质量轻、强度高的制品；从工艺上来说，缠绕成型技术能够实现连续化、机械化的生产，且能缩短生产周期，提高生产效率，降低劳动成本。这种方式也有一个缺点，即制品固化后需要把芯模除去，在凹曲表面制品的制造中适用性较低。高尔夫球杆和钓鱼竿的制造可以使用这种方式。

拉挤成型：拉挤成型技术主要用于纤维复合材料型材的连续生产。拉挤指的是在外力牵引下，纤维束或带状织物经过浸胶、挤压成型、加热固化、定长切割等工艺，制成横截面具有特定形状、长度不受限制的线型制品的方式。借助有一定截面形状的成型模具，拉挤技术将已经经过浸渍的连续纤维在模腔内固化成型，或者在模腔内凝胶、出模加热固化，在牵引机械拉力作用下，引拔出的型材制品没有长度限制。这种工艺流程较为简单，生产效率高；在运用拉挤法制备制品时，增强纤维沿着轴向平行排列，能使其强度得到有效利用；采用纤维毡增强材料能够制备各项同类型制品；编织带的使用可以增强制品横向强度。此外，拉挤制品还具有强度高、质量轻、便于装饰等优势，更为其在不同类型体育设施中的应用创造了良好的条件。

RTM 成型：RTM 即树脂传递模塑，在复合材料的成型中较为常用。这种技术是将纤维或预成坯铺放在密闭模腔内，在压力作用下将树脂液注入到模腔，浸透纤维或预成型坯，之后进行固化，脱模成型制品。该项技术在复杂复合材料构件的制造中更为适用，比如高精度、低孔隙率等材料，不需要胶衣树脂，也可以保持表面的光洁；同时，产品设计周期短，能够节约时间成本；RTM 模具和产品的设计相对便捷，可以通过CAD 技术完成，且对于材料的选择没有局限性；RTM 成型的构件与管件能够实现局部增强；RTM 成型过程中挥发程度低，能降低对周围环境的破坏程度。当前主要在自行车和划艇主体部分的批量生产中使用RTM 技术。

模压成型：模压成型工艺是在封闭的模腔内，通过加热和压力固化成型复合材料制品的方法。模压成型的模具包括阴、阳两部分，增强材料通常为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。这种方式的生产效率较高，制作尺寸误差小，表面光洁，在大批量的制品制造中较为适用，同时适用于精度和重复性要求较高的制品。对于结构复杂的制品，运用模压成型技术可以一次成型，不需要再进行车、刨等可能会对制品性能造成损害的辅助加工，由此制出的产品外观和重复性较好。这种技术的缺点是在模具设计和制造中有较高的复杂性，且初期投入成本较高，对设备有一定要求。

3 应用实例

碳纤维复合材料的比强度与构建自重成反比关系；其比模量则与构建刚度成正比关系。结合碳纤维复合材料的优势，将其应用到体育器材的制造中，能够使体育项目的成绩得到显著提高。

3.1 撑竿

撑竿跳一直是奥运会比赛的一个重点项目。最初的撑竿是由山胡桃木制作而成，既沉重又缺乏弹性，储能性质较差，运动员的动能得不到充分利用，在这种材质的撑竿下，撑杆跳高成绩最高只有3.3m；随后，木质撑竿由竹竿替代，竹竿的中空特点使得其质量轻便，有助于运动员助跑，同时竹竿的弹性较大，能较好地转化运动员的能量；上世纪60 年代，尼龙撑竿开始使用，很快玻璃纤维竿又取代了尼龙撑竿。在撑竿材料的优化更新下，撑竿跳高的世界纪录不断被突破。当前第四代撑竿的碳纤维复合材料性能更为优越，不同部位的材质可以根据撑竿受力的差异来设计。最新的碳纤维撑竿既可以保证撑竿的柔韧性，又可以避免撑竿断裂，可以将运动员助跑的动能向撑竿的弹性变形能转变，当撑竿所承受的压力到达一定程度后，这部分弹性变形能得以释放，再转为运动员势能，助力运动员飞跃横杆。

3.2 自行车

当前全民健身的时代背景下，自行车除了具有交通功能外，还成为了大众健身、休闲和竞赛的一个工具。高档自行车的车架构、车轮及座位支架等部位都是用碳纤维复合材料制作而成，既增加了自行车外观的美感，也增加了车体的刚性，并使车体具备良好的减振性能；车体的轻质性能也有效增加了骑车的舒适性。在这些特性下，由碳纤维复合材料制造的自行车被广泛应用于各大竞赛中。此外，在体育用品中，游艇、摩托车零件、人力飞机、棒球球棒等都可以在制造中应用碳纤维复合材料。

3.3 网球拍

网球拍在更新换代过程中体积逐渐加大，而重量却逐渐减轻。目前世界上的高档和中档网球拍的制作材料大部分是碳纤维复合材料。尤其是大型网球拍更需要用重量轻、高比模量和高比强度的材料来制成。与木质网球拍相比，碳纤维复合材料制成的网球拍框能承受更强的网线拉力，在击球时保持原有形态。同时，由于碳纤维复合材料具有良好的减振阻尼特点，既能够提高运动员的舒适性，又能够增加网球的初速度。

3.4 高尔夫球杆

20 世纪30 年代，美国的高尔夫球杆是钢杆材质；1972 年，美国开始尝试用碳纤维复合材料制造球杆，此后，碳纤维高尔夫球杆的数量不断增加；1998 年，碳纤维高尔夫球杆的数量已经远远超过钢杆。从结构上来说，高尔夫球杆可以分为握把、杆身和杆头三部分，比起原来的钢杆材质，碳纤维球杆的重量减轻了10%～40%。根据能量守恒定律，在固定的质量下，高尔夫球杆的杆头重量大、杆身重量小时能够提高挥杆速度，增加球运动的初速度。此外，碳纤维复合材料还具有高阻尼性质，可以延长击球时间，使球运动距离更远。

3.5 弓箭

对于射箭项目而言，优化射箭用具的性能有助于提高射箭成绩，而射箭用具性能的改善主要通过提高弓和箭的比弹性来实现。当前碳纤维复合材料制成的弓箭在全球各种材质的弓箭质量中首屈一指，其弓臂能承受的弯曲应力可以达到50kg/mm2，能使箭的初速度达到最大，同时在最大程度上增加射程距离。此外，与玻璃钢材料和金属材料相比，碳纤维复合材料具有较强的耐疲劳性，能够有效延长弓臂的使用寿命。

4 结语

随着科学技术的不断发展，其对体育领域产生了重大影响，各国的体育竞赛某种程度上已经成了科技的竞争。在诸多体育项目中，人的体能已经被激发到极限，只依靠良好的身体素质和竞技技巧已经很难保证比赛的成功，运动员之间也越来越需要高质量体育设备的助力。因此在体育比赛中，比拼的不仅是人体生理极限的突破，还有体育器材的创新和进步，而CFRP 材料凭借其质量轻、阻尼性能好、破损安全性高、热膨胀性低、疲劳强度大、设计自由度大等优点已在撑杆、自行车、网球拍、高尔夫球杆和弓箭等体育器材领域被广泛应用，具有广阔的应用前景和重要的应用价值。