复合材料在体育用品领域的应用探究

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摘要：摘 要：复合材料是运用先进制备技术将不同材料组分优化合成的新材料。相比传统的木料、钢铁等，复合材料具有密度

　　摘 要：复合材料是运用先进制备技术将不同材料组分优化合成的新材料。相比传统的木料、钢铁等，复合材料具有密度小、力学性能好、可设计和可加工性强、耐久性、绿色环保等优势，在化工、汽车、电子电气、医学、航空航天、铁路建设等领域得到广泛应用。近年来，由于对复合材料上述优势的不断研究与利用，大大提高了我国体育用品的性能和质量，复合材料逐渐在体育用品领域成为研究热点。本文归纳了复合材料应用于体育用品领域的优势所在，并分别对不同复合材料在体育用品领域的应用进行分析，展望了其发展前景。

　　关键词：复合材料;体育用品;应用

　　体育已成为体现综合国力、激发民族精神的宏伟事业。根据中国体育产业发展报告(2019)，我国体育用品制造业增加值从2014年的2547亿元增长到2017年的3265亿元，从增长速度看，2014至2017年的行业年均增速为10.5% [1]，这为复合材料在体育用品领域的应用提供了极大的发展空间。复合材料种类很多，主要有纤维复合材料、塑料复合材料和金属基复合材料等，具有密度小、抗震性能强、易加工成型等优势。在体育用品领域，体育器材行业要可持续发展，必须根据不同使用者，尤其是优秀运动员的需求来进行器材研发。在某种程度上，体育竞技也是科技的竞技，随着竞技体育的竞争日趋激烈，复合材料体育器材装备的研发大有可为。

　　一、复合材料在体育用品领域应用的优势

　　(一)密度小

　　体育器材与体育运动是相互促进的，而大多体育运动都是通过人力进行的，较重的运动器材对运动员来说反而是一种负担。为了尽可能发挥运动员的真实水平，大多运动器材都会采用质轻的材料，例如帆船、网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆等。传统的木材虽然质轻，但由于其易损坏，不耐久等缺点而逐渐被金属取代。大多复合材料的密度远远低于金属的密度(如表 1所示) [2]，其优势是显而易见的。

　　(二)力学性能好

　　复合材料的塑性、强度、疲劳强度、抗震性和弹性等力学性能都远超木材、铝合金、钢铁等材料(如表 2所示) [3]。酚醛树脂、环氧树脂复合材料等热固性复合材料所制造的器材在静载荷作用下能够抵抗永久变形或断裂，而如聚氯乙烯一类的热塑性复合材料又能够在荷重时发生永久变形却不被破坏。

　　以网球拍为例，对采用普通材料和碳纤维复合材料进行最大受力工况应力应变分析。当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。材料发生形变时，物体内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，单位面积上的内力称为应力。采用Ansys进行受力分析，首先在Ansys19.workbench中划分网格，并施加边界条件和受力条件，如图 1所示。普通材料及碳纤维材料的应力及应变分析结果分别如图 2、图 3所示。

　　(三)可设计和可加工性强

　　复合材料由基体材料和增强材料组合而成，基体材料主要有铝、镁、橡胶、石墨等金属和非金属，增强材料主要有玻璃纤维、硼纤维和芳纶纤维等。各种组合成分的比例改变，或加入一种新的材料，整个材料的性能也会发生巨大的改变。复合材料的加工方式多种多样：拉挤成型技术、模压成型技术、缠绕成型技术和树脂传递模塑成型技术等，可根据使用者的需求设计出最适合他的器材。不仅如此，复合材料因其自身可塑性强，其二次修护也是极为方便的，可以大大节省维修费用。

　　(四)耐久性

　　传统的户外运动器材大多采用钢铁，因为长时间暴露在外，经过风吹日晒，会逐渐生锈被腐蚀。因此，户外运动器材往往存在很大的安全隐患。而复合材料因其良好的耐水性、耐腐蚀性和耐热性等(如表 3所示) [4]，能够长时间暴露在外而不受影响，大大延长了器材的使用寿命。

　　(五)绿色环保

　　大多運动器材都会与运动员的身体部位直接接触，若采用的材料挥发出有毒气体，如乒乓球拍使用的胶黏剂释放甲醛，橡胶释放有毒硫化物等，必定会对运动员的身体产生危害，还会污染环境。复合材料安全环保，部分材料能够二次回收利用，卫生性强，无论对环境还是人体，都十分友好。

　　二、不同复合材料的性能

　　(一)纤维复合材料

　　芳纶复合材料和碳纤维复合材料是主要的两种纤维复合材料。齐佳认为，芳纶用具在体育防护用具中能够充分发挥自身耐酸碱、强度高、可纺织性强等优点，其密度能够达到1.42～1.45g/cm3 [5]。贾琳分析得出芳纶材料最优秀的力学性能是0°拉伸强度，远远高于玻璃纤维材料或碳纤维材料，制作的防护用具有较好的透气性和减震性，在危险系数较高的运动中能够有效缓解冲击，但也存在压缩强度低以及不耐紫外线照射的问题 [6]。碳纤维复合材料具有碳材料的固有本性特征和纤维的柔软可加工性，其研究与生产得到了全世界的重视，其中日本、美国的投入与研究最多 [7]。20世纪80年代，意大利，法国，英国和美国相继开发了碳纤维自行车，它的强度、硬度和性能远远超过传统的自行车 [8]。孙晋媛指出，应用了柔韧性非常理想的全掌碳纤维底盘的运动鞋，能使运动员从地面获取更大的反作用力;通过特氟纶纤维设计的泳衣能够减小水流的阻力 [9]。由此可见，各国对纤维复合材料的研究都极为重视，且研究成果瞩目。纤维材料在体育用品领域的使用必将成为一种全球化潮流和趋势，体育器材行业对纤维复合材料的需求量也会越来越大。

　　(二)塑料复合材料

　　塑料复合材料大多由高聚物基体和不同增强体复合而成，使用寿命长，优异的成型工艺使得塑料复合材料器材易于实现量产的目标，能够及时满足体育器材行业的需求。江伟指出，不饱和聚酯、环氧树脂、聚邻苯二甲酸二烯丙酯等是典型的塑料复合材料，基于缠绕成型的工艺方法，不饱和聚酯可以用来制造高尔夫球棒，环氧树脂还可用于制造坚固耐用的攀岩墙 [10]。张建龙分析得出聚氨酯材料在滑板制造中被大量使用，这是化学合成的硬橡胶，通过材料比例的改变以达到不同路面所需的硬度和弹性要求，具有很高的经济效益和实用性 [11]。不仅如此，聚氨酯材料安全等级高，局部遭到破坏不会对整体造成影响，以聚碳酸酯为原材料的护目镜即便破裂也不会对眼睛造成损伤。

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