新型纤维材料在体育器材中的影响研究

马德厚

摘要：快速发展完善的科学技术为新型高分子材料与复合材料的发展及应用提供了技术支撑，将这些先进材料应用到体育器材中可使体育器材性能得以有效增强，文章对新型纤维材料在体育器材中的应用和影响进行了研究，在阐述新型纤维材料的应用优势及分类情况的基础上，对一些包括新型纤维在內的先进材料在不同体育器材中的应用与影响进行了分析，特别是对其在体育器材方面的应用优势进行了阐述，指出研发及使用新型纤维对发展体育器材、提升体育成绩方面所起到的重要辅助作用。

关键词：新型纤维材料;体育器材;应用优势;影响分析

中图分类号：TQ342.742;TS952文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0078-04

快速发展的信息技术和新材料促使日常生产生活方式的变革，融合了现代科学技术的体育及其使用器材代表着一国的科技发展水平，现代体育竞争离不开科学技术提供的辅助支撑，先进新颖的材料已成为体育科学水平有效提升的重要手段，体育运动逐渐从传统简易的器材和活动场所向标准化、规范化的器材（用先进材料制作）和比赛场发展，体育运动这一发展过程离不开体育运动及使用材料的科学发展，如何通过高新材料促使体育器材发展已经成为研究的热点之一。基于机械理论及力学原理的体育器材的设计应用具体作用于人的组织、韧带、关节上，为了确保运动员成绩的提升与安全陸，理想的体育器材设计需融合包括材料学、力学、机械设计等在内的多学科知识，同时需兼顾使用材料的性能及材料安全系数（包括减震性、密度、韧度、强度等），以提升体育器材的科学性和安全性，在提升器材本身使用舒适性的同时提高成绩。

1新型纤维材料的应用优势及分类

1.1优势

在纤维增强复合材料成功研发前，以木材、钢材、不锈钢、铝合金等作为传统体育器材的材料，纤维增强复合材料的优势表现在：较强的可设计性，不断完善的复合材料成型技术限制提升了设计体育运动器材的空间和自由度，更易于获取各种产品相应的成型方法，甚至能够以实际运动选手本身特点为依据实现体育运动器材的定制，从而提升体育器材的人性化和实用性;良好的力学性能，体育器材需兼顾使用性能和力学性能，在比强度、比模量和比弹性方面表现突出的纤维增强复合材料还具有良好的阻尼减震性能，成为体育器材主要原料之一;重量较轻，体育运动器材的运动（如高尔夫球杆、自行车、滑雪板等）大多借助人力完成，要求器材越轻越好，相比于金属杆应用碳纤维增强材料后的球桿的力学性能得以明显提高（仅达到金属杆重量的30%-50%）;此外环保也是开发体育器材过程需充分考虑的重要因素，复合纤维材料不会散发有害气体，通常可回收利用，具备良好的节能优势。

1.2分类及应用

1）玻璃纤维，属于质硬易碎物体的玻璃不适用于结构用材，通过将其进行抽丝处理可实现强度及柔软性的显著增强，在配合使用树脂完成相应定型成为极佳的结构用材，将废旧玻璃作为原料经一系列工艺制造后（包括高温熔制、拉丝、络纱等）形成玻璃纤维，具有耐化学性、吸湿性小、耐热/耐老化、伸长率低的优势，玻璃纤维的强度同其直径成反比，每束纤维原丝由数百根单丝构成（可达上千根），单丝直径范围在几微米到30um微米（仅为头发丝的1/20-1/5）。在复合材料领域中，弹性模量、拉伸强度大的玻璃纤维在运动器材中的应用较早。

2）碳纤维，是一种含碳量成功85%的碳素纤维，将相关材料（以有机纤维、沥青基为主）进行碳化和石墨化处理后形成，作为力学性能优异的新材料的一种，线膨胀系数小的碳纤维相比于其他金属材料（如钛、钢、铝等）表现出了更好的物理性能，碳纤维轻于铝、比重低于钢的1/4，比强度可达到铁的20倍，具有強度大、模量高、密度低等优势，在新材料中占有重要地位，已经在飞机制造、风力发电、体育球棒生产等领域得到广泛应用，纤度（采用9km长纤维的克数进行表示）极好的碳纤维的拉力高达300Kg/mm²，纤度约为19g。碳纤维复合材料在严格要求刚度、高温环境及化学稳定性等生产领域和使用场合变现出不可替代的优势。不同碳纤维的力学性能如表1所示。可以体育器材的不同类型及力学性能要求为依据有针对性的完成碳纤维的选择。考虑到碳纤维具有润湿性、粘附性较差的不足，对碳纤维需在先完成便面活化处理的基础上完成复合材料的制备。

3）硼纤维作为一种重要的高科技纤维，其本质上属于一种复合纤维，通过使用化学气相沉积法完成制取过程，其芯材一般采用钨丝和石英，硼纤维的最早开发研制用途在于制造质轻且强度高的增强用纤维材料，以供制造高性能飞机使用，硼纤维具备高强度、高模量的优势，规模生产的硼纤维应用领域不断扩大（包括宇航、体育及工业等），化学气相沉积法、乙硼烷的热分解或熔融是生产硼纤维的主要方法，目前最经济的方法为化学气相沉积法，该制备方法的芯材一般使用钨丝（直径为12.5um），三氯化硼与氢气的化学混合物通过反应管由电阻加热至约1300℃完成化学反应后，钨丝表面上沉积形成硼层，最终导出制成的硼纤维。对树脂和金属材料起到显著的增强作用，在增强塑料中硼纤维增强环氧树脂性能最好，是在体育器材中应用较多的高强、高模纤维复合材料。

4）碳化硅纤维具有较好的耐热性和相容性，拉伸强度大、模量高的碳化硅纤维（于1983年完成批量生产开发）的制备方法主要有先驱体转换法和化学气相沉积法两种，采用碳化硅纤维的复合材料能够用于制成抗压、抗冲击及耐磨的体育运动器材。

5）芳香族聚酰胺纤维，以低密度、高强度、高模量、耐高温方面的优势最为突出，最初命名为芳香族聚酰胺（Dupont公司发明），熔点高于分解温度芳族聚酰胺类化合物限制了纤维的制造方法（只能用溶液法）。随着科技的进步目前可使用的成形方法包括干湿法纺丝（以浓硫酸为溶剂，Dupont公司开发）和Monsand方法（通过化学改性处理对位芳香聚酰胺后在有机溶剂进行溶解最终实现纺丝的成形）。作为技术含量及附加值较高的一种特种纤维，芳香族聚酰胺纤维与树脂的粘结性好，相比于玻璃纤维和碳纤维增强材料，芳香族聚酰胺纤维增强后的复合材料具备更好的拉伸强度，弹性模量优于玻璃纤维增强材料。

6）超高模量聚乙烯纤维（密度为0.97g/cm²），具有高度取向的伸直链结构，属于高性能纤维，相比于碳纤维和芳纶表现出来更好的轻质及高强度优势，具有良好的耐候性，较强的化学惰性使其具备更好的化学稳定性，其强度受到有机溶剂、强酸、强碱溶液的影响較小，耐紫外性能优越（在太阳照射1500h后仍能保持80%纤维强度），耐低温性较好（可在低至一150℃的温度下使用）。在现有高性能纤维中，超高模量聚乙烯纤维表现出了更好的柔韧性、耐磨、抗切割及抗张力疲劳性能，在安全防护、航空航天、车船制造、体育等领域应用广泛。超高模量聚乙烯纤维存在不易染色加工的不足。

7）混杂纤维，体育运动器材中应用的混杂纤维增强通过长丝单向增强、两种短纤维混杂或由包芯复合纱（两种纤维组成）作增强材料实现，混杂纤维增强复合材料兼具单一纤维优势及单只组成纤维的特殊性能，实现优势间的互补，可使体育运动器材的不同需求得以有效满足，通过应用混杂复合材料可使体育器材成本得以降低，通过优化选择使用纤维及体积含量实现物理和机械性能范围的扩展，并可获取单项或组合的性质。

2新型纤维材料在体育器材中的应用

发展体育器材过程中新型纤维材料发挥着重要作用，该种材料不同于常规天然纤维，其强度、柔韧度、模量等方面得以显著改善，具备重量轻、强度高、易于设计和加工等优势，采用新型纤维增强的复合材料得以在体育器材中广泛应用。

2.1网球球拍中先进材料的使用

网球运动十分受大众青睐，最初使用的是木质球拍，在级别较高的比赛中多以加蓬榄木、木岑木等作为运动员使用球拍的材料，自20世纪60年代混合材料球拍逐渐占据主导地位，随后金属混合框架（铝制或钢制）广泛应用于网球拍在减缓了危险性振动的同时提升了球速，网球拍主要使用金属混合物（包括钛、镁、钢、铝等）制作而成，相比于金属材料碳纤维混合材料的硬度更高，在在撞击球的情况下需将较大的力量传输给球，此时极易形成频率较高的振颤，为降低振颤力度需对球拍柄进行完善和优化，巢状的聚氨醋泡沫的球拍结构较为完善，球拍柄的构成属于软质内核、多层强化纤维;此外，在采用FR纤维减缓振颤时，会导致球拍形成的硬度较大，wilson·ffk是网球拍的典型代表，主要由石墨、凯维拉斯、纯氧化铝陶瓷构成（质量分数分别为84%、12%、4%），石墨的使用可有效满足网球拍对硬度和强度的要求，在跟球形成撞击的情况下可使球拍头部的扭转得以避免，即通过减小球拍头部的偏斜度实现球拍振颤的有效减缓，通过扭转凯维拉斯纤维的使用则实现了球拍强度及使用寿命的增加。

2.2撑杆跳撑杆中先进材料的使用

撑杆比赛自20世纪50年代末开始获得了快速的发展，随着高温定型复合材料的实现，制成的玻璃纤维复合杆（玻璃纤维和有机树脂的粘合）被应用于撑杆跳撑杆中，在显著降低撑杆重量的同时使其弹性、承载能力、耐用性等性能得以有效提升，逐渐成为撑杆跳选手的必备器材。运动员结束助跑向斜穴插入采用了玻璃钢的撑杆时能够将迅速向前的能量转换为杆的形变能量，运动员在撑杆被最大程度压弯后可将杆的形变能量借势向上转换。20世纪60到70年代美国运动员应用这种技术成为这方面佳绩的创造者，欧洲自20世纪80年代开始取得撑杆跳优势，通过将系列性能较高的纤维（如碳纤维）应用到复合材料撑杆上实现了6m好成绩的获取。目前各国在体育竞争中均注重科技和先进材料在体育器材及运动训练上的应用。

2.3滑雪板中先进材料的使用

滑雪板作为滑雪运动的关键工具，不仅影响运动员安全还影响到运动成绩，对结构和材料要求较高的滑雪板虽然在形状上一直未有明显的改变，但其制作材料却不断变更和完善。20世纪50年代以木材为原料的滑雪板对成本低质量轻但在受潮的情况下极易变形，后改用金属和玻璃纤维。随着科技的不断发展，逐渐开始采用碳纤维和混杂纤维。设计上不断改进的滑雪板目前能够使速度更加稳定、转弯更加便利、易于维护且具有良好的防滑功能。应用了新型纤维复合材料的滑雪板已经不受雪地雪质的限制，以夹芯复合材料制成的滑雪板（采用木材、PU、PVC作为芯材制成）具备性能优异的性能，使滑雪板的弹性得以显著提升，置于芯层上部的碳化纤维则使滑雪板屈伸度得以显著增强，置于芯层上方的玻璃纤维负责连接面板和芯层，并有效增加了滑板的韧度和力度。

2.4体育场地中先进材料的使用

选手比赛舒适感、比赛成绩、生物力学特征均会受到体育场地材料不同程度的影响，运动状态下的运动员的身体肌肉会持续收缩和发力，引发的冲击易对运动员形成运动伤害，对竞技体育比赛场地的标准和要求较高。目前一种新型橡胶碎片（同米粒般大小）在体育竞技比赛场地中应用较为普遍，在缓冲性、柔软性、弹性等方面表现出了极大的优势，使选手受到的冲击力得以显著降低（包括膝关节、踝关节、脚等），实现了安全保护的功能。具备空气伸缩性及弹力层的底板的消音效果得以有效实现，避免了比赛时地板震动情况的出现。在跑道材料方面，相比于传统所用材料而言，目前使用的塑胶跑道以高分子化学合成材料作为铺设材料，显著提高了弹性，大大提升了选手的蹬地能力进而有助于脚步的加速，能够抬高选手膝盖位置以增加每一步的步幅。

2.5赛艇中先进材料的使用

赛艇运动对安全性要求较高，需兼顾赛艇负重及赛艇在高速运动中的抗冲击性能，为满足赛艇的综合性能需求，不断进行设计和改进，采用了混杂纤维复合材料（碳纤维和玻璃纤维），以碳纤维（吉林碳纤维厂生产）和S高强玻璃纤维（南京玻璃纤维研究设计院）为典型代表，经混杂后加工成平纹织物，采用混杂纤维复合材料（CF/GF）制成的赛艇提高了使用性能，但存在艇体重量超标、抗冲击性不足等问题。引进和应用芳纶纤维后，混杂纤维复合材料赛艇得到进一步优化，有效弥补了之前赛艇的不足。在研制混杂复合材料赛艇方面，将KF混杂于CF中可在节约燃料费用的同时使航速得以提高（20%左右），RAE公司设计制造了采用混杂复合材料作为面板的赛艇（20世纪70年代末），以夹层结构作为主受力构件的赛艇船体在高速度下流线外形的同时提升了减振性能及竞争能力。

3结语

不断发展的体育活动对体育用品及使用器材的要求不断提高，对新型材料的使用需求随之提高，需具备较高的刚度及静态强度、良好的抗冲击韧性及包括疲劳特性、衰减率等在内的动态性能，运动器材包含较为复杂的受力状态（各部分应力分布情况大多不同），通过新型纤维材料的使用可有效解决这些问题，在体育器材的开发和完善中表现出了广阔的应用前景，不断进步的科学技术促使多种高分子材料和复合型材料的成功研发和应用，通过这些先进材料的使用能够使器材性能得以显著提升，推动竞技体育的良好发展，现代新型材料的发展是体育器材发展的本质所在，通过对新型材料充分合理的应用实现其高质量发展。本文主要介绍了竞技体育发展中先进材料的实际应用和影响。