新型纤维材料在体育器材中的影响研究

黄珂

摘要：当今社会体育运动水平不断提高，对体育器材的要求也日益提高，传统的体育器材材料巳经无法满足这些不断提高的新要求，新型纤维材料凭借其各种优越的性能渐渐地在体育器材领域崭露头角，新纤维材料具有质轻，高模量，高强度，化学性质稳定等等特点，制作而成的体育运动器材更加符合现代体育运动的使用要求。通过介绍几类新型纤维的性能以及在体育器材上的具体应用，表明了新型纤维能夠在体育器材领域发挥至关重要的作用，具有非常广阔的应用前景。

关键词：新型纤维;体育器材;影响;研究

中图分类号：TQ317

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0066-05

随着现代科学技术的不断进步，人们的生活质量水平也在不断的提高，越来越多的人开始注重体育锻炼。同时，体育的发展水平也可以体现一个国家的科学技术发展水平，体育的竞争从另一个方面来看也是科学技术的竞争，想要提高体育的科学技术水平，先进，新颖的新型材料是必不可少的重要条件。体育运动的不断进步发展，一方面取决于体育运动的科学化，另一方面就是要依靠材料科学的发展。现代的信息技术与新型材料在不断的改变人们的生活方式"，体育器材的发展中新型材料起到了至关重要的作用。新型材料技术的不断发展以及其在体育器材上面的广泛应用对其余器材的发展具有很大的促进作用，新型材料具有许多普通材料所不具备的优点，诸如强度高，质量轻，耐腐蚀性能好，设计自由度大以及以加工等等，体育行业因为对新材料，新技术以及新工艺的不断研究产生了很大的变革，对体育器材材料的研究以及改进也是近些年来的科研热点。

1体育器材材料发展的意义

1.1材料

体育运动的竞争就是科学技术的竞争，科学技术水平的提高依赖先进新型材料的发展，在体育运动器材。上面采用新型材料是改进体育器材的重要手段之一。

材料是人类生存发展，改造自然以及征服自然的重要物质，它与信息和能源被作为现代文明的三大支柱，是人类发展的历史证明。材料科学的不断进步使得人们对自然的支配能力不断的提高，也是对社会进步的巨大促进。

我国是制造业大国，制造业是离不开材料的。当今世界材料的种类繁多，传统的材料就已经与有几十万种了，随着科学技术的不断发展，新型材料的品类也在不断的增加。无论是直接应用还是间接应用，新型材料在体育器材领域的应用已经越来越广泛，直接应用主要变现在运动员的服装，装备，比赛器材y9ij训练器材方面，而间接应用则表现在裁判设备，运动场地，指挥通信以及信息报道等反面的材料需求。

1.2材料对体育器材发展的影响

21世纪之前体育运动器材采用的传统材料称为传统区域器材材料，如皮革，木材，橡胶，金属，玻璃等等。这些很多材料都是取材于大自然，根据最开始的体育设定而制备使用的，用以满足人们对体育运动竞技的需求，其制备条件相对简单，所以很容易推广，在体育运动的最初发展阶段，传统的体育器材材料起到了决定性的作用。但是传统的体育器材材料也存在一些缺陷，例如在耐磨性，硬度，使用周期，可塑性以及某些特殊需求方面渐渐地无法适应体育运动的发，展需求，因而传统的体育器材材料也由于科学家技术的不断发展而不断进步，如乒乓球拍的制作材料从开始单独使用木材到后面改用术材和皮革的混合材料，后面更有合成橡胶的使用，同时也产生了许多的复合材料，随着材料的不断更新进步，新型材料也开始被用在体育器材制造领域，新型体育器材材料指的是21世纪出现的高科技材料，由于其优良的机械性能，力学性能以及物理特征，在体育器材中具有很大的应用优势。这些材料具有高强度，轻重量，高模t，高硬度以及较强的可设计性能等优点，在体育器材中使用这些新型材料能够制作出各项性能都非常优异的体育器材，所以被广泛的应用在体育器材的制造生产中。近些年来，科研人员研发了许多的新型材料，诸如碳纤维复合材料，镁基材料，石墨烯，阿德米拉纤维，新型陶瓷复合材料，生物工程塑料等等，这些材料已经在现代体育器材中被广泛使用，在各种训练场地以及跑道的铺垫上面，硅橡胶材料也渐渐被广泛的使用，由此可见，新型的纤维材料在未来体育器材的制造领域有着十分广阔的发展前景。

2新型纤维材料的应用优势

2.1质轻

现代的许多体育运动中，体育器材都是依靠人力来驱动的，因此会要求器材的重量越轻越好，如自行车，高尔夫球，滑雪板等等，新型的纤维材料绝大多数都具有质轻的优点，比如碳纤维增强材料，其制作而成的球杆，力学性能比金属制作的球杆明显增强，但是其重量却只有金属球杆重量的30%～50%，由此可见采用新型纤维材料制作的体育器材可以显著降低体育器材的重量。

2.2良好的力学性能

力学性能的好坏是评价体育器材优劣的重要标准之一，只有保证其良好的力学性能才能确保其使用性能。而许多的新型纤维材料都具有良好的力学性能，如复合纤维材料，其具有优良的抗阻尼减震性能，纤维增强复合材料具有优良的比模量，比强度以及比弹性，也因为这样，这些新型纤维逐渐被作为体育器材的制作原料。

2.3较强的可设计性

现代新型的纤维材料具有很强的可设计性，尤其是近些年复合材料成型技术的逐渐发展成熟，体育器材的设计空间大大增强，其设计自由度也得到提升，可以根据体育运动的需求或者运动选手自身的特点，设计制作更具人性化的体育运动器材。

2.4对环境友好

环境保护问题一直是现代社会非常关注的问题之在开发设计体育运动器材的过程中，器材的环保问题也是必须考，虑的方面，许多新型的复合纤维材料相较于传统的体育器材材料，其在使用过程中不会释放诸如甲醛、苯等有害气体，新型纤维材料其本身也可以再次回收利用，由此可见，新型的纤维材料是一种节能环保的新型资源，更加符合现代社会的发展要求。

3新型纤维材料的分类

随着科学技术的不断进步发展，新型纤维的种类越来越丰富，并且被广泛的应用于各个行业领域，下几种新型纤维在体育器材中应用较为广泛。

3.1碳纤维

碳纤维是一种高强度高模量纤维，其含碳量在90%以上，其耐高温性能在所有的化纤中居首位，它主要是腈纶和粘胶纤维经过高温碳化或者石墨化而制成。当今世界，碳纤维的研究和生产一直领先世界各国。碳纤维的力学性能十分優异，其比强度大约是金属铁的20倍，但是比重非常小，比铝还要轻，不到钢的1/4。由于碳纤维的各种优良性能，已经被许多的高新技术行业所应用，例如飞机制造军工领域，棒球生产体育休闲领域，风力发电叶片工业领域等。碳纤维材料还具有优异的物理性能，它具有高模量，高强度，小线膨胀系数以及低密度等优点。此外，碳纤维还具有非常好的纤度，约为19g，其拉力却高达300kg/mm？。所以，在一些对材料刚度要求严格，化学环境稳定性要求高以及高温环境的领域中，碳纤维复合材料可以发挥不可取代的优势。另外，不同种类的碳纤维其力学性能也存在差别，具体如表1所示。在制作体育器材是，要根据体育运动器材的力学性能要求来选取，同时碳纤维和树脂的粘附性，润湿性较差，所以在制备碳纤维复合材料是，需要对材料的表面进行活化处理[2]。

3.2玻璃纤维

日常生活中，人们对玻璃的认识就是质地坚硬的透明易碎的物质，无法作为结构用材，但是当玻璃材料抽成丝后，其强度会大大增强，并且具有一定的柔软性，因此当它配合其他材料被赋予形状之后是可以作为结构用材使用的。玻璃纤维的直径同它的强度是成反比的，在一定范围内，其直径越小强度越大。玻璃纤维的制备过程时以玻璃球或者废旧的玻璃作为加工原材料，经过高温熔制，然后拉丝，络纱等工艺，玻璃纤维的直径很小，比头发丝还要细，只有头发丝的1/20到1/5，大约为几微米到二十几微米，其纤维原丝都是由数百数千根的单丝构成。玻璃纤维是开发应用较早的一种复合材料，目前比较著名的玻璃纤维生产企业有中国的巨石玻纤和美国的欧文斯科宁。同样，玻璃纤维也具有许多的优良特性，如其尺寸稳定性良好，耐老化性能良好，阻燃性好，耐热性能以及耐化学性能也十分良好。物理性能优异：拉伸强度，弹性模量大，伸长率低。玻璃纤维这些优良特性非常利于制作体育运动器材。

3.3硼纤维

硼纤维是一种重要的高科技纤维，是利用石英和钨丝，经过化学气相沉积法制备而成，是一种复合纤维。美国空军增强材料研究室是最在开发制备硼纤维的，主要是为了研究制备质量轻，强度高的增强纤维材料，然后将这种材料应用于高性能体系的尖端飞机的制造中。随着现代生产力的不断进步发展，硼纤维的使用领域不断拓展，已经被应用在许多新的领域，例如体育娱乐用品，航天用品以及工业用品等领域，目前硼纤维的制备方法主要有乙硼烷的热分解法，化学气相沉积法以及熔融乙硼烷法，但是化学气相沉积法是目前成本最低的方法，该方法主要是采用钨丝作为芯材，其直径为12.5um，经过由电阻加热的反应管，主要的化学原料是三氯化硼和氢气，让它们由反应管的。上端流入，然后进行加热使温度升至大约1300C，化学反应完成之后，硼就会在钨丝的表面沉积，从而之制成硼纤维被导出。硼纤维增强环氧树脂材料是具有高强度，高模量的复合纤维材料，常被用作体育运动器材的制作。

3.4超高模量的聚乙烯纤维

超高模量聚乙烯纤维是一种新型的的高新能纤维，同芳纶及碳纤维相比，它具有更高的强度和更轻的质量，其密度只有0.97glcm？，此外，超高模量聚乙烯纤维的大分子结构是具有高度取向的伸直链结构，其化学稳定性良好，化学惰性很强，其强度几乎不是受到强碱，强酸和有机溶剂的影响，其耐候性也非常好，即使是经过日晒1500h之后，它的纤维强度保持率也能保持在80%，另外，其耐紫外线、耐低温性能也十分优越，即使在-150C的低温下也可以正常使用。在绝大多数高性能纤维中，超高模量聚乙烯纤维具有最强的耐弯曲耐磨性能，抗切割性能以及抗张力疲劳性能，由于这些优异的性能在很多高新领域都发挥着重要的作用，诸如航空航天，车辆制造，安全，防护，体育以及造船等领域[4]。但是超高模量聚乙烯纤维非常不易于染色加工，因此它的用途在某些方面受到了限制，近些年，也有学者对其染色加工的方法进行了研究，若这项技术研发成功，必定能够扩大超高模量聚乙烯纤维的使用领域。

3.5碳化硅纤维

碳化硅纤维是一种具有高模量，高拉伸强度，良好相容性的新型纤维，此外，其具有良好的耐高温性E，能够在1250C的高温下使用。碳化硅纤维的制备方法有2种，①化学气相沉积法，②驱体转换法。由于碳化硅纤维的高模量，高拉伸强度的优越性能，用其复合材料制作成的体育运动器材具有良好的抗冲击，耐磨以及抗压性能。

3.6芳香族聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维（Aramid）是不同于脂肪族聚酰胺的一种新型纤维，其最开始是由Dupont公司发明。由于它的化合物的熔点都比它的分解温度高，所以只能通过溶液法制取纤维，其成形方法2种，①以浓硫酸作为溶剂的千湿法纺丝，②Monsand方法，这种方法是将对位芳香族聚酰胺进行化学改性，然后将其溶解到有机溶剂里面，最后纺制成丝。芳香族聚酰胺纤维具有低密度，高模量，高强度，耐高温以及与树脂粘结性好等特点，是一种高附加值，高技术含量的特种纤维，用其制成的增强复合材料具有良好的拉伸强度，比碳纤维和玻璃纤维增强材料的拉伸性能还要好。

3.7混杂纤维

混在纤维增强材料指的是将两种短纤维混杂或者两种长丝单项增强的纤维材料，混杂纤维增强材料在具备单一纤维的特点的情况下还能够或的另一种纤维的特殊性能，这种混杂纤维能够够好的满足体育器材的使用要求，同时做到优势互补。混杂复合材料的研究具有非常重要的意义，其一是节约成本，在进行混杂纤维制备是可以采用便宜的纤维取代昂贵的纤维，这样可以大大降低成本。其次是可以对要选取的纤维进而体积含量进行优化选择，这样就可以获得范围宽广的机械性能和物理性能。第三点就是经过纤维不同组合，可以获得某些独特的纤维材料特性，这是单一的纤维材料所无法具备的。

4体育器材中新型纤维材料的应用

许多新型纤维所具备的优良性能是出传统材料所不具备的，因此很多体育器材的制造上面都已经开始采用新型纤维材料，例如赛艇，自行车，球杆，篮球以及滑雪板等等，新型纤维的使用使得体育器材具备了更加优良的使用性能。

4.1赛艇

赛艇运动中，由于赛艇要不停的受到高速运动的水的冲击，因此要求赛艇具有非常好的抗冲击性能，同时也要减少赛艇的附负重，这样有利于加快运行速度，对于这样的要求，单一的纤维增强复合材料是无法满足的，所以进过研究者的改进设计，将玻璃纤维和碳纤维进行混杂制成纤维复合材料，也就是CF/GF混杂纤维复合材料，用这种新型纤维制成的赛艇性能也表现出混杂效应，但是仍在孙在抗冲击性能不够，体重超标的问题，所以研究人员又引入了芳纶纤维，设计出了CF/KF混杂纤维复合材料，用这种材料制成的赛艇能够显著改善赛艇体重超标及抗冲击性能不够的缺点。将混杂纤维应用到赛艇的制作中，能够使赛艇具备范围更宽广的机械性能和物理性能，于此同时也能够获得独特的组合性能，这是传统的单一类纤维材料无法达到的。

4.2自行车

新型纤维材料在自行车行的应用主要表现在碳纤维的应用，早年欧洲国家将碳纤维经过纤维编织机编织成自行车架的骨架，然后将其放置在模腔内，将树脂注人其中再进行升温加压固化，左后将其表面进行光整处理，采用这种方法制成的碳纤维整体车架具有重量轻，刚度大的特点，后来碳纤维整体车架成形工艺的发展成熟，使得这种车架逐渐在欧洲市场获得了很高的地位。比较著名的就是KESTREL车架和PR09000整体式车架"。后来，人们又开始研发设计质量更轻的车架，碳纤维车架的强度由于金属材料车架，同时质量比铝合金的质量还轻，也具备了良好的抗空气阻尼的性能。

4.3篮球

研究人员采用抗潮湿的混杂微纤维复合材料代替传统的皮革制成了一种新型的篮球，它不是传统篮球的八块椭圆形板材构成，而是采用两块对接交叉板构成，使

用时这种篮球手感更好，防滑性能好，即使是由汗水粘在球面也能很好的被球員掌控"，这种新型纤维的成功研发使用也题体现了混杂纤维优势互补的特点。

4.4滑雪板

在滑雪运动中，运动员的成绩以及生命安全都与滑雪板息息相关，因此滑雪板的制作和选材尤为重要。随着时代大发展，滑雪板的材料也发生了许多变化，最开始滑雪板全是用的木材，虽然木材学材料价格便宜且质量较轻，但是它容易受潮而变形，再后来人们用金属、玻璃纤维代替木材，一直到如今的碳纤维及混杂纤维。设计方面，滑雪板也已经进行了许多的优良改进，使其不易打滑图，速度也更加稳定，转弯更加灵活。新型纤维的使用也是的滑雪板更能适应不停雪质的雪地，在维护上面也更为方便。

5结语

当今社会，体育竞技水平在不断的提高，对于运动员所使用的体育器材的要求也是越来越高，进而岁体育运动器材所使用的材料的性能要求就越来越高。体育器材根据体育运动的内容而有不同的要求，并且同一体育器材其不同部位也是有不同的要求的，例如既要求良好的抗冲击性能，有要求高的刚度强度，既要求良好的动态性能又要求良好的静态强度，因此传统的单一类纤维材料是很难满足这些要求的，为了达到这些要求，新型纤维材料的研发应用是必不可少的，绝大多数的新型纤维材料都是具有优越的机械物理性能的，如高模量，高强度，良好的尺寸稳定性，抗老化，化学性能稳定以及耐疲劳，耐高温等等，新型纤维的这些优异性能对体育器材的研发制作起到了非常重要的作用，随着世界科学技术的发展，为新型纤维的设计研发提供了良好的发展环境，使其在体育运动器材领域的影响越来越深远。

参考文献

[1]赵炳璞，高建和.体育运动对材料的依赖及面临的问题[J].中国体育科技，1997，33（9）：39-45.

[2]杜希岩，李炜.纤维增强复合材料在体育器材上的应用[J].山东纺织科技，2007，10（1）49-54.

[3]毕鸿章.硼纤维及其应用[J].高科技纤维与应用，2003，28（1）：30-35.

[4]胡志鹏.我国化纤行业发展综述[J].中国石油和化工经济分析，2006，（22）：15-20.

[5]申屠年特种纤维复合材料赛艇的研制[J].产业用纺织品，2001，10（6）：5-10.

[6]陶浩，段红杰，杨向东.碳纤维自行车车架的研制和开发[J].玻璃钢/复合材料，1997，（4）：14-19.

[7]于柏峰.NBA引进复合材料篮球[J].纤维复合材料，2007，33：6-10.

[8]吴国庆，易峰.高性能纤维与体育运动[J].中国纤检，2002，8（2）：40-45.