纤维增强复合材料在运动器材中的应用

孙延武

武威第二十三中学，甘肃 武威 733000

近些年，纤维增强复合材料得到快速发展，目前纤维增强复合材料已经形成非常完整的产业体系，并且在很多领域都有广泛的应用。在全民健身背景之下，越来越多人走进各类运动场所放松身心，锻炼身体，运动器材的供给成为非常关键的一环。纤维增强复合材料应用于运动器材，将发挥出很多独到的优势。

1 纤维增强复合材料概述

1.1 纤维增强复合材料发展历史

纤维增强复合材料，即FRP（Fiber Reinforced Polymer/Plastics）在20 世纪40 年代问世，主要应用于航空航天领域和军事领域，一直到现在航空航天领域FRP 的应用比例一直在上升，比如客机波音787、空客350，其使用的FRP 比重已经超过50%。

随着材料制备成本下降，FRP 逐步应用于大众生活，并且延伸出GFRP、CFRP 等，其中GFRP 主要用于景观雕塑、座椅、垃圾桶等，CFRP 则主要用于游艇、汽车、自行车、体育休闲器具等。20 世纪60 年代，FRP 被应用于民用建筑，但实际到20 世纪90 年代FRP 加固钢筋混凝土结构技术的兴起，工程界才开始逐步认可FRP。

1.2 纤维增强复合材料基本构成

（1）FRP 划分。FRP 的构成包括增强相、基体相和界面相。其增强相为纤维材料，主要包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。基体相则有树脂基体、陶瓷基体、金属基体等。界面相则是FRP 制造成型过程当中所形成的纤维与基体之间所形成的过渡区域[1]，在一定程度上可以将FRP 的构成划分为两个部分：纤维材料和基体材料。其中纤维材料承担主要荷载，基体则将纤维黏在一起并且传递纤维间的荷载。

从纤维几何形态的角度来讲，FRP 可划分为单向连续FRP、编织连续FRP 和随机短切FRP。其中在纤维材料和基体材料基本相同的情况，单向连续FRP 的层内性能更好，一般这类材料主要用在航空航天等高端装备结构当中。该材料一般是将0.05 ～0.30mm 的单层板材按照不同的角度交错叠加而成，形成复合层板，在具体工程中根据不同需求厚度最小可达1.00mm，也可达到几十毫米，还可以将不同层合板通过装配连接形成典型的复合结构。从纤维材料的微米级别一直到工程中应用的分米乃至米级尺度，可知FRP 及其结构存在多尺度性。一般而言可将其划分为微观尺度、介观尺度和宏观尺度三种空间尺度。微观尺度可以简单理解为基本的纤维、基体和界面，介观尺度则主要是单层板，宏观尺度则是单层板堆叠而成的多向层合板。

（2）FRP 典型代表。基于前文划分，目前市面上常见的FRP 主要有三种，即玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料和芳纶纤维增强复合材料。

其中，玻璃纤维增强复合材料，俗称玻璃钢，这种材料主要以合成树脂为基体，玻璃纤维及其制品作为增强材料。根据基体材料的不同又可划分不同玻璃钢。玻璃纤维可以通过回收的废旧玻璃作为原料，经高温融化、拉丝、织布等工艺制造。硬而脆的玻璃经过加工后成为玻璃纤维，具有非常高的强度，高柔韧性、抗腐蚀性好，对拉应力的承载效果好，质量轻，强度高（超过普通钢材），绝缘性好，线膨胀系数低，可耐3800℃瞬时高温，疲劳性好，但是只能承载拉应力，不能承受压应力、抗剪性差。其在建筑、公共、电子通信等领域应用广泛。

碳纤维增强复合材料具备低密度、高强度、高模量、耐高温等特性。其纤维材料是由有机纤维或低分子烃气体加热到1500℃而形成的纤维状碳，碳含量90%以上。一般碳纤维以拉伸强度作为衡量品质的指标，例如T300，抗拉强度为3.5GPa，属于中低端品质。为了方便理解可对比钢材，例如普通钢材的抗拉强度仅几百MPa，高于500MPa 的钢材就是高强度钢。碳纤维增强复合材料用碳纤维或碳纤维织物作为纤维材料，以树脂、陶瓷等作为基体。常见的是碳纤维+热固性树脂，强度好、轻量化，在航空航天、汽车等领域应用广泛。

芳纶纤维增强复合材料与玻璃钢相似，也用树脂作基体材料，具备高比强度、高比模量、低密度、抗冲击好、耐疲劳等优点，其纤维材料为芳香族聚酰胺纤维，具备高强度、高模量、抗磨和低密度的特点，是一种有机合成材料，可分为对位芳纶、间位芳纶、杂环芳纶。

（3）纤维增强复合材料失效机理。基于前文对FRP 空间尺度上的简要分析，其失效机理在不同的空间尺度下存在不同描述。微观尺度之下，基于不同应力状态的典型失效机理包括纤维破坏、纤维—界面—基体脱粘，基体黏塑性变形或者开裂，在微观尺度上，失效主要表现为更小尺度的裂纹萌生和扩张，由于尺度更小，很难进行物理观测。

微观尺度上产生的失效现象进行组合和汇聚形成介观尺度下的失效，介观尺度以单层板为基本单元，其失效机理表现为由纤维主导的纵向拉伸或压缩失效，由基体主导的横向拉伸、剪切以及纵向剪切失效，相邻异向堆叠单层板层间失效。当介观尺度下的失效积累，结构中便会出现非常明显的宏观裂纹，此时肉眼都能观察到，当荷载持续增加，裂纹出现非稳定扩展时，宏观尺度下的结构就会出现灾难性的破坏。

2 纤维增强复合材料在运动器材中的应用

加强体育运动锻炼显然具有重要价值意义，而运动器材是绝大部分体育运动不可或缺的要素。运动器材不仅是某些体育运动的载体，也是运动的辅助工具。体育运动并不能盲目参与，否则将可能对身体造成损伤[2]。因此当代体育运动必须讲究科学运动，同时要讲究运动器材的选择。运动器材种类繁多，使用纤维增强复合材料的运动器材也有很多种，在文中罗列几种进行简要分析。

2.1 纤维增强复合材料运动器材的结构

纤维增强复合材料运动器材，根据不同用途，在结构形式上也有很大的差异。比如乒乓球拍、滑雪板、冲浪板等，这些运动器材主要是板式结构。如网球拍、羽毛球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆、冰球棒等器材其主体结构也是用纤维增强复合材料制成，主要呈现为管状结构。又如各类防护头盔，各种赛艇船体结构等则主要是薄片结构。还有一些特殊用途的器材，比如比赛用车辆的车体、武术运动用的刀剑类道具、登山用绳索等。

2.2 纤维增强复合材料运动器材产品

以滑雪运动的重要装备——滑雪板为例，滑雪板关系运动员滑雪运动的安全和成绩，传统的滑雪板通常是由木板制成，虽然成本低廉，但由于木材的特殊性质，容易受潮变形甚至失效。还有些滑雪板由铝合金制造而成，一般价格都很高，而且对雪地要求高，适应性很差。随着FRP的发展，用FRP 制造滑雪板适应性非常强，维护方便，而且性能好。目前市场上质量好、性能优异的滑雪板产品基本都采用了夹心结构，这种结构实际就是纤维材料+基体材料，可用碳纤维或玻璃纤维+木板、PVC 等。作为基体材料的PVC 或木板可满足一定弹性要求，纤维材料若是碳纤维可增强滑雪板屈伸度，若是玻璃纤维则可以使夹心结构连接更加紧密，增加其韧性。

又如高尔夫球杆，在20 世纪70 年代高尔夫球杆就开始用碳纤维增强复合材料制作。传统的高尔夫球杆用长丝缠绕法制作球杆，但是与碳纤维复合材料球杆相比，无论是对高尔夫球的适应性还是本身的重量、负荷等方面都有所不如。目前中高端高尔夫球杆基本都是纤维增强复合材料制作而成。碳纤维增强复合材料制作的球杆具备密度小、高强度、高弹性、耐冲击等特性，对运动员的发挥也有非常大的帮助。类似的器材如羽毛球拍、鱼竿等都是如此。如鱼竿，现在市面上无论是竞技钓还是野钓，碳素杆都是主流，这种鱼竿就是由碳纤维增强复合材料制作而成[3]。

再如自行车，国内早期的自行车重量非常大，车架基本都是高碳钢。20 世纪七八十年代，满大街都是凤凰、永久等品牌自行车，这些自行车在当时如同现在满大街的奔驰、宝马，可惜的是进入21 世纪以来，国内的自行车市场便被国外品牌所逐步蚕食。国内自行车市场实际上是非常庞大的，无论是学生、上班族还是老年人都能用自行车锻炼身体，方便出行，但是由于材质、款式上的落后，直接导致国内自行车火爆短短一段时间便在与国外品牌的竞争中失败。材质方面，很多高端产品的核心零部件需要进口。20 世纪80 年代，国外一些国家便成功研制出碳纤维自行车，车架重量采用碳纤维材料，重量轻，强度、刚度都非常理想，相比高碳钢车身如同云泥之别。当然全FRP 材料制造的自行车一般都是比赛用车，著名自行车公路赛车手乌尔里希的比赛用车就是FRP 制造的车型，整车重量仅7.5kg。

3 结束语

纤维增强复合材料由于其特性在运动器材上得到了非常广泛的应用。将其用在运动器材上具备非常显著的优势，FRP 质量轻，很多运动器材需要人力操作，比如羽毛球、乒乓球等运动，需要球拍越轻越好，但需要保证优秀的力学性能，FRP 同样具备显著的力学性能。同时FRP 成型技术使得运动器材设计自由度非常高，只要设计出来就能用FRP制造出来。在当前发展体育事业的背景之下，将FRP 应用于运动器材，将显著促进体育用品产业的发展。