碳纤维复合材料在体育器材上的应用

摘要

碳纤维复合材料以其轻质、高强度等特性，在体育器材制造中占据重要地位。其优势包括高比强度、耐疲劳、设计自由等，广泛应用于撑竿、高尔夫球杆、网球拍等器材。通过缠绕成型、模压成型等技术，实现定制设计和制造，提升运动性能。碳纤维复合材料的应用不仅提升器材性能，也体现国家科技创新能力。随着材料科学发展，碳纤维复合材料将继续在体育领域发挥重要作用，助力运动员创造佳绩。

正文

碳纤维是含碳量很高的无机高分子纤维材料，它“外柔内刚”，质量比金属铝轻，而强度却高于钢铁。它有四种产品形式：纤维，布料，预浸料坯和切短纤维。布料指的是由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸渍使其转化成片状；切短纤维指的是短丝。按照不同的配比，这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维增强复合材料(CFRP)。

当前，用来制造体育运动器材的新材料主要是复合材料，而碳纤维复合材料又是其中的佼佼者。从某种意义来说，现代竞技运动是一项向人类体能极限挑战的运动，任何项目世界纪录微小的提高往往需要和依赖科技的推动。利用新材料提升比赛器材的性能，从而提高运动成绩的案例屡见不鲜。

1、质量轻

　　像撑竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，人们希望其质量越轻越好；即使是靠人力以外的其他动力来使其运动的器材，如赛车、帆船、摩托艇等，在相同的条件下也以质轻为好。碳纤维复合材料在此方面具有不可比拟的优势，其密度为1.76-1.80g/cm3，所制复合材料密度为1.50-1.60g/cm3，而钢材约为7.87g/cm3、铝材2.7g/cm3、钛材4.5g/cm3。显然，碳纤维复合材料要比金属材料轻得多。

2、高比强度和高比模量

　　碳纤维复合材料的比强度(单位质量的强度)和比模量(单位质量的模量)分别是杉木的4倍和3倍、梧桐木的3.4倍和4.4倍、钢材的7- 2倍和3-5倍。突出的比强度、比模量，使其可用来制造轻而强和刚而坚的各种制品，特别适合于制作体育器材。

3、疲劳强度大

　　碳纤维结构稳定，在其制成复合材料经过百万次循环应力疲劳试验后，其强度保留率仍可达60％，而钢材为40％，铝材为30％。耐疲劳强度高，使得体育器材的使用寿命更长。

4、热膨胀系数小

　　碳纤维的热膨胀系数在室温时几乎为负值，当温度为200～400℃时，其热膨胀系数为零。

5、破损安全性能好

　　在碳纤维复合材料中，由于基体的作用，在沿纤维方向受拉时，各纤维的应变基本相同。已断裂的纤维由于基体传递应力的结果，除断口处不发挥作用外，其余绝大部分纤维依旧发挥作用。个别纤维的断裂不会引起连锁反应和灾难性的急剧破坏，因而破损安全性能很好。

6、阻尼性能好

　　碳纤维复合材料的聚合物基体具有黏弹性，在基体中和界面上有微裂纹和脱黏的地方还存在着摩擦力，在振动过程中，黏弹性和摩擦力使一部分动能转换为热能。因此，其阻尼比钢和铝合金大，若采用特定措施还可以使阻尼增大。

7、设计自由度大

　　复合材料成型技术的发展使得设计自由度大大提高。纤维复合材料的一个显著特点是各向异性，通过改变纤维的铺叠方向和方式，局部增强或增强某一方向的受力状况；可根据选手的年龄、性别、技艺水平、体力强弱等不同情况加以设计，最大限度地发挥体育器材的使用效果，这是一般各向同性的金属材料难以实现的。

　　碳纤维复合材料通过合理的设计可整体成型，这样可以省掉许多组合型架和装配型架，降低生产成本。随着技术的发展，体育器材的成型方法很多，主要包括缠绕成型、模压成型、RTM成型、拉挤成型等技术。

1、缠绕成型技术

　　在专门的缠绕机上，将预浸料坯均匀、有规律地缠绕在一个转动的芯模上，最后固化、除去芯模获得制品。缠绕成型法既适用于制造简单的旋转体，如圆柱体、球体及某些正曲率回转体或筒形制品，也可用于非旋转体部件制造。其显著特点是能够按照制品的受力情况将纤维按一定规律排布，从而充分发挥纤维的强度，获得轻质高强的制品；在工艺上能实现连续化、机械化生产，并且生产周期短，生产效率高，劳动强度低；其缺点是制品固化后需除去芯模，不适宜于带凹曲表面制品的制造。用这种方法可以制成高尔夫球杆和钓鱼竿。

2、模压成型技术

　　模压成型工艺是在封闭的模腔内借助加热和压力固化成型复合材料制品的方法。模压成型的模具由阴、阳模两部分组成，增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。模压成型法生产效率高，制品尺寸准确，表面光洁，特别适用于制造大批量以及精度和重复性要求比较高的制品。结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工(如车、铣、刨、磨、钻等)，制品的外观及尺寸的重复性好。其缺点是：模具设计与制造复杂，初次投资较高，易受设备限制。

3、RTM成型技术

　　RTM(树脂传递模塑，简称RTM)是复合材料较为常用的一种成型技术。该技术是将纤维或预成坯铺放到密闭模腔内，用压力将树脂液注入模腔，浸透纤维或预成型坯，然后固化，脱模成型制品。RTM技术的优点是：能够制造高质量、高精度、低孔隙率、高纤维含量的复杂复合材料构件，无需胶衣树脂也可获得光滑的双表面；产品从设计到投产时间短，生产效率高；RTM模具和产品可采用CAD进行设计，模具制造容易，材料选择面广；RTM成型的构件与管件易于实现局部增强或制造局部加厚的构件，带芯材的复合材料能一次成型；RTM成型过程中挥发少，有利于保护劳动者及生产环境。目前一般使用RTM技术来批量生产自行车和划艇的身体部分。

4、拉挤成型技术

　　用于连续生产纤维复合材料型材。拉挤是指纤维束或带状织物在外力牵引下，经过浸胶、挤压成型、加热固化、定长切割，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的线型制品的一种方法。它将经过浸渍的连续纤维通过具有一定截面形状的成型模具，在模腔内固化成型或在模腔内凝胶、出模加热固化，在牵引机械拉力作用下可连续引拔出无限长的型材制品。拉挤成型工艺简单，效率高；拉挤法制备制品时，增强纤维沿轴向平行排列，能有效地利用其强度；采用纤维毡增强材料可制备各向同性制品；采用编织带可提高制品的横向强度。拉挤制品具有高强、轻质、易装饰、表面质量好等特点。这些性能对于许多类型的体育设施及相关应用都是很理想的，例如渔竿、弓箭、撑竿、滑雪杆等。

碳纤维复合材料的比强度愈高，构件自重愈小；比模量愈高，构件的刚度愈大。因此充分利用碳纤维复合材料的特性，可提升诸多体育项目的成绩。

1、撑竿

　　撑竿跳高在第一届奥运会中就被正式吸收为比赛项目，当时的撑竿由山胡桃木制成，结实沉重，缺乏弹性、储能本领差的特性让选手的动能大多被浪费，所以跳出的最好成绩只有3.3 m。后来竹竿取代木质撑竿，其中空质轻有利于助跑，弹性有利于能量的转化。20世纪60年代，运动员开始使用尼龙撑竿，不久尼龙撑竿又被玻璃纤维竿所代替。撑竿材料的不断改革，使世界纪录被屡屡新刷。如今撑竿发展到了第四代，玻璃纤维和尼龙已经被性能更优越的碳纤维复合材料取代，而且可根据撑竿受力的差异来设计不同部位的材质，使整体性能最优。最新的碳纤维撑竿可以保证撑竿既柔韧结实又不会断裂或扭结，它可将运动员持竿快速助跑的动能部分转变成撑竿的弹性变形能，当撑竿被压弯到最大弧度后，这部分弹性变形能再释放出来，转变成运动员的势能，帮助运动员腾空跃起，飞越横杆。

2、高尔夫球杆

　　20世纪30年代的钢杆是美国标准高尔夫球杆，1972年美国首先采用碳纤维复合材料制成球杆，到1998年碳纤维高尔夫球杆数量大幅度超过钢杆。高尔夫球杆由握把、杆身、杆头组成，用碳纤维复合材料制成的高尔夫球杆可减轻重量约10％～40％。根据动量守恒定理，当高尔夫球杆的总重量一定时，头重杆轻便于提高挥杆速度，可使球获得较大的初速度。此外，碳纤维复合材料具有高阻尼特性，可使击球时间延长，球被击得更远。

3、网球拍

　　网球拍的发展趋势是大型化、轻量化。目前世界上高、中档网球拍大多采用碳纤维复合材料制成。大型网球拍需要采用重量轻、比强和比模大的碳纤维复合材料来制造，它可以承受比木质拍框更强的网线拉力，以保证击球时不变形。减振阻尼性好的碳纤维复合材料，在赋予运动员舒适感的同时也使网球获得了较大的初速度。

4、弓箭

　　在射箭项目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成绩的重要途径，而改善其用具性能的主要方法就是提高弓和箭的比弹性。当今世界最好的弓是碳纤维复合材料系列产品，由碳纤维复合材料制作的弓臂(弓片)可承受50 kg／Hun2的弯曲应力，赋予箭最大的初速度和最远的射程。开弓射箭，一张一弛，碳纤维复合材料的耐疲劳特性是玻璃钢和金属材料所无法比拟的，因而所制弓臂的使用寿命更长。

5、自行车

　　随着现代社会的快速发展，自行车不仅是交通和运输工具，还具有健身、旅游、竞赛等多种功能。高档自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴及座位支架等均使用碳纤维复合材料制成，不仅使自行车外观更具美感，同时也赋予了车体良好的刚性和减震性能。车体重量进一步下降，骑乘舒适性更好。

　　现代科技的飞速发展对体育产生了前所未有的影响，当今世界的体育竞争实质上是科学技术的竞争，而先进、新颖的材料则是提高体育科学技术水平的重要条件之一。如今，在不少运动项目中，人的体能和精神的激发都几乎达到了极限，胜败往往只在毫厘之间，仅靠强健的肌肉和良好的竞技状态已很难获胜，运动员们越来越多地要依靠科学家的智慧，拼的是装备。人们期望通过运动器材的升级带动运动员挑战极限，可以这么说，现代奥运会已不再纯粹是比哪个国家的运动员跑得更快、跳得更高、举得更重，在运动员与运动员较量的背后，是国家与国家科技发展与人心凝聚的综合大比拼。奥运会上的各项纪录不仅仅是人类突破生理极限的体现，也是科技创新在体育中的集中展现。

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