纤维增强塑料在体育领域中的应用研究

马 艳，牛海波，马梦琪

(西安交通大学城市学院，陕西 西安 710018)

随着现代社会的发展，体育运动得到越来越多的重视，体育竞技活动发展日益迅速。研究显示，我国体育领域的产值巨大，极大地推动了我国经济的发展。作为体育竞技发展的辅助，体育器材具有重要的支撑作用，其安全性对运动员的健康有着直接影响，且器材性能与质量一定程度上决定了体育竞技运动的发展水平。一般情况下，木材、塑料及钢材等组成体育器材的主要制作原料。其中，凭借轻质高强、耐腐蚀及力学强度优良等特性，塑料逐渐成为体育器材制作的主要材料之一[1-2]。然而由于强度较低、易变形和老化以及服役寿命短等不足，塑料在体育器材中的应用受到了一定限制。为改善传统塑料的综合性能，通过纤维进行改性是一种有效途径。本文为探究体育器材中纤维增强塑料的应用情况，对几类常见纤维的增强塑料材料开展阐述，如碳纤维、玻璃纤维及高强高模合成纤维等。通过总结相关纤维增强塑料的应用特性，并分析其在体育器材中的应用情况，继而更好地推动我国体育领域中新型复合材料的应用。

1 纤维增强塑料概述

纤维增强塑料是一种新型复合材料，其将纤维作为改性材料，以塑料作为基底材料，基于相应成型工艺（模压、缠绕或挤压等）加工制作而成。纤维增强塑料作为两相复合材料，在兼顾纤维和塑料两种原材各自优良性能的基础上，克服了原始单一材料存在的缺陷，实现了塑料材料的性能提升。研究显示，纤维增强塑料能较好地契合体育器材的应用需求，已成为主要的制作原材之一。

根据掺入纤维的类别，纤维增强塑料主要包括合成纤维增强塑料与无机纤维增强塑料。顾名思义，前者的改性材料为合成纤维，如超高模量聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维及混杂纤维等；后者的改性材料主要为无机纤维，如碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维及硼纤维等。通过纤维改性，塑料的性能劣势能够得到弥补，但不同纤维增强塑料的性能各不相同，其在体育器材中的应用也存在差异。

2 纤维增强塑料在体育器材中的应用

2.1 碳纤维增强塑料的应用

在当前使用纤维增强塑料的体育器材中，最为常见的是碳纤维增强塑料，其凭借易于加工、轻质高强及力学强度优异等特性，具有广阔的应用前景。在实践中，碳纤维增强塑料的应用领域一般包括网球拍、帆船骨架、自行车架以及保龄球等[3]。

张国胜[4]以碳纤维增强塑料为原材，通过缠绕成型的工艺制取网球拍，并开展了对应的力学测试与微观构造分析。试验发现，碳纤维增强塑料的拉伸强度与模量分别达到1.5GPa和140GPa，密度仅为1.45g/cm3，较铝/钛合金等更小，而力学强度则更优，其比模量为0.97×109cm。在击球弹性方面，相比传统木质球拍，碳纤维增强塑料制得的网球拍是其1.5倍，在安全与便捷方面更加符合使用要求。

盛夏[5]为制得碳纤维增强塑料撑杆，同样利用了缠绕成型工艺并与常规木质撑杆开展了对比分析。研究显示，在撑杆跳成绩方面，对于同水平运动员，使用碳纤维增强塑料撑杆与木质撑杆的成绩分别为4.4m和3.3m，表明碳纤维增强塑料可更好地实现运动员动能与重力势能的转化，其优异的弹性有助于获取更好的成绩。

和振东等[6]以耐腐蚀性与力学强度为指标，对赛艇桨杆进行了试验，其制作原材为碳纤维增强塑料。分析表明：当试件长宽分别为0.25、0.02 m时，相比聚酯塑料98.54MPa的拉伸强度，碳纤维增强塑料可达281.56MPa；经盐碱混合溶液浸泡腐蚀长达3周后，由碳纤维增强塑料制成的赛艇桨杆表面才出现气泡，表明其耐腐蚀性优良（实际使用时材料一般不会长期置于高盐碱环境中），符合使用要求。

周博[7]探究了体育器材中碳纤维增强塑料的应用价值，指出在皮划艇、滑雪杆及自行车等领域，碳纤维增强塑料凭借轻质高强的特性，可有效降低运动员体能消耗，改善运动成绩。此外，拉拔、挤压或缠绕等工艺均适用于碳纤维增强塑料的成型，加工便捷，可灵活满足体育器材不同的形态要求。

黄珂[8]基于高尔夫球杆，探究了碳纤维增强塑料的应用，并测试了其性能。试验发现：相较金属高尔夫球杆，碳纤维增强塑料高尔夫球杆可以减轻40%，其弹性模量为470GPa。但碳纤维增强塑料的粘附性稍低，在实际应用中尚需通过表面改性以提升高尔夫球杆的综合性能。

2.2 玻璃纤维增强塑料的应用

根据性能不同，玻璃纤维一般包括常规玻璃纤维、高强玻璃纤维以及多种玻璃纤维的复合物。在进行塑料改性时，将玻璃纤维作为改性材料可显著增强抗弯拉与力学性能。当下，体育行业中的玻璃纤维增强塑料得到了较多应用，如网球拍、滑雪杆、高尔夫球杆等[9]。马德厚[10]在船桨制作时应用了复合玻璃纤维增强塑料，通过分析制作工艺与性能发现：将高强玻璃纤维与常规玻璃纤维掺合制得平纹织物，再开展塑料改性，由此制得的船桨质量轻便，且抗冲击性能改善显著，可使赛艇航速增加约20%。

李娟[11]以常规塑料与玻璃纤维增强塑料为原材，对比探究了冲浪板中玻璃纤维增强塑料应用的耐腐蚀性与力学强度，试验发现：由玻璃纤维增强塑料制得的冲浪板拉伸强度、断裂伸长率及冲击强度均符合使用要求，且其拉伸强度比常规塑料冲浪板高出近1/4。经过盐碱溶液浸泡1个月后，普通塑料的质量损失为0.07g，而玻璃纤维增强塑料仅为0.02g，表明其耐腐蚀性较为优异。

杜希岩等[12]基于滑雪板视角，分析了玻璃纤维增强塑料的应用，认为以玻璃纤维增强塑料作为原材可提升滑雪板的强度与韧性，对玻璃纤维增强塑料滑雪板的性能进行测试发现：在吸湿、耐热与耐腐蚀性方面，玻璃纤维增强塑料均有较好表现，同时纤维直径与力学强度呈负相关，直径低至30μm内时，可获得比强度超过600N·m/kg的高强滑雪杆。李豫[13]以复合玻璃纤维增强塑料为原材制作曲棍球，试验认为：新型曲棍球的吸振性能突出，在比赛中可大幅降低振动，利于球员控制小球，改善运动成绩；测定复合玻璃纤维增强塑料的有关性能可知，相较常规合金曲棍球，复合玻璃纤维增强塑料能提升3倍强度，而自重仅为1/3。

张馨娇等[14]分析了自行车领域的玻璃纤维增强塑料应用效果，通过测试研究发现：将玻璃纤维增强塑料应用于自行车架体，除断裂伸长率稍差外，可有效提高拉伸强度与服役年限，并降低车体自重。

2.3 高强高模合成纤维增强塑料的应用

在体育领域，高强高模合成纤维增强塑料的改性材料一般为超高模量聚乙烯纤维与芳香族聚酰胺纤维，前者较多应用于水上、冰上以及球类运动中，而后者在滑雪板、自行车与网球拍中应用广泛[15]。

顾龙鑫等[16]探究了赛艇中芳香族聚酰胺纤维增强塑料的应用特性与效果，研究发现：相比碳纤维增强塑料或铝合金，芳香族聚酰胺纤维增强塑料的密度更低，仅约1.44g/cm3，而最大的拉伸强度逾1300MPa；以芳香族聚酰胺纤维增强塑料为原料制成的赛艇具有优异的强度、刚度及韧性，符合国际竞赛的赛艇标准，且耐腐蚀性能良好。

齐佳[17]总结了体育器材中采用芳香族聚酰胺纤维增强塑料的优势，认为芳香族聚酰胺纤维增强塑料可在网球拍与自行车中进行良好应用。能优化网球拍的抗冲击性与延展性，增强减振吸能性能；可在保证自行车车体美观的基础上，有效改善车体安全性与体验感，提升使用寿命。任意[18]探究了超高模量聚乙烯纤维增强塑料的相关工艺与应用，试验表明：由于分子量大、黏度高、流动性弱，为达到制造工业化的目的，需要对超高模量聚乙烯纤维应用冻胶纺丝工艺；相较芳香族聚酰胺纤维增强塑料和碳纤维增强塑料，由超高模量聚乙烯纤维增强塑料制得的赛艇具有更高的强度与密度，可适应腐蚀性或高湿度条件。

黄晓华[19]分析了足球领域中超高模量聚乙烯纤维增强塑料的应用情况，认为在减振与柔软度方面，由超高模量聚乙烯纤维增强塑料制得的足球有更好的表现，不易造成运动员的损伤。同时，为实现超高模量聚乙烯纤维增强塑料的批量化加工与生产，费用较少的二步法硅烷交联工艺是较好的选择。李娜[20]对比阐述了羽毛球拍网线中的超高模量聚乙烯纤维增强塑料应用，认为相较常规的聚乙烯网线，新型网线的反弹性更佳，可更好地满足运动员控球、扣杀与放网等过程中的冲击性能，改善控球感与击打感，进一步促进运动成绩的提升。此外，在耐热与耐用性方面，超高模量聚乙烯纤维增强塑料也具有一定优势，有利于羽毛球拍网线服役年限的延长。

2.4 其他纤维增强塑料的应用

在体育器材应用方面，对于纤维增强塑料，除碳纤维、玻璃纤维与超高模量聚乙烯纤维等改性纤维外，还有碳化硅纤维、硼纤维以及混杂纤维等。其中，碳化硅纤维增强塑料适用于滑雪板，硼纤维增强塑料可充当网球拍与钓鱼竿的原材，而混杂纤维增强塑料则被较多地用于高尔夫球具与篮球等体育器材中[21]。张芸芸[22]以碳化硅纤维增强塑料为研究对象，分析了其性能与构造，并介绍了应用情况。研究发现，碳化硅纤维增强塑料可耐逾1200℃的高温，且综合性能突出，如抗压耐磨、拉伸强度与模量高等，适用于滑雪板、撑杆等体育器材中。

李承宇等[23]探究了硼纤维增强塑料材料的特性与应用现状，通过与其他纤维增强塑料性能的对比分析，总结认为：硼纤维增强塑料拉伸强度与拉伸弹性模量较高，分别可达3600MPa和400GPa，且硬度远高于碳化硅纤维增强塑料，而密度仅为2.57g/cm3；将硼纤维增强塑料作为高尔夫球杆原材，有助于增强球杆的击球感，除可更好地操控高尔夫球的方向外，还能延长其飞行距离。潘利利[24]总结了体育器材中碳化硅纤维增强塑料的相关应用，认为在拳击台、冲浪板与皮划艇等制作中均可应用碳化硅纤维增强塑料，然而其当前的加工工艺尚处于初级阶段，工业化制作成本高昂，阻碍了其推广应用。

3 结语

体育器材一般要求具有较好的耐用性与安全性等性能，作为一种典型的现代化复合材料，纤维增强塑料不仅安全耐用，而且还具备易加工、使用轻便、设计自由度高及力学强度好等优势，已逐渐取代传统木质或钢质材料成为体育器材的主要原材之一。但当下针对纤维增强塑料的研究尚不完善，少有涉及纤维增强塑料材料类别、特性与生产工艺的探究，导致体育器材中的纤维增强塑料应用存在较多限制，应用潜力未能得到充分挖掘。未来尚需深入开展纤维增强塑料中的改性材料多样化研究，优化复合材料生产工序，提升纤维增强塑料的综合性能，有效助力体育行业的可持续发展。