纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用

玄武

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，越來越多的現(xiàn)代人走進(jìn)各類運(yùn)動(dòng)場所放松身心，而現(xiàn)代競技體育的發(fā)展在要求體育專家講求科學(xué)訓(xùn)練的同時(shí)，還要重視對(duì)體育器材的改進(jìn)與研制。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)自由度大、易加工成型等特點(diǎn)，在體育器材方面獲得了廣泛的應(yīng)用。
2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到體育器材中的優(yōu)勢
眾所周知，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料未問世之前，用作體育器材的材料主要是木材、鋼材、不銹鋼、鋁合金等。與這些材料相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在以下方面具有明顯優(yōu)勢：
2．1 質(zhì)輕
多數(shù)體育器材是靠人力來使其運(yùn)動(dòng)，因此要求器材越輕越好，如網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、自行車、滑雪板等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在此方面具有不可比擬的優(yōu)勢。例如由碳纖維增強(qiáng)材料制成的高爾夫球桿，采用碳纖維布卷帶成型法，其力學(xué)性能較金屬桿提高了許多，而重量卻比金屬桿輕3O%～5O%。
2．2 力學(xué)性能好
體育器材要有良好的可用性能必須具有優(yōu)良的力學(xué)性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有突出的比強(qiáng)度、比模量和比彈性模量，更適合于用作體育器材。復(fù)合材料具有良好的阻尼減震性能也是其適合作為體育器材原料的原因之一。
2．3 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)
復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展使得其設(shè)計(jì)自由度較傳統(tǒng)材料大大增強(qiáng)，各種產(chǎn)品總能找到相應(yīng)的成型方法，因而，可根據(jù)選手本身的不同情況分別加以設(shè)計(jì)，而且維修方便，費(fèi)用較低。
2．4 其他方面
在體育器材的開發(fā)過程中，環(huán)保及性價(jià)比也是必須考慮的問題。復(fù)合材料在使用過程中不會(huì)散發(fā)有害氣體，而熱塑性復(fù)合材料一般可以回收使用，同時(shí)，生產(chǎn)復(fù)合材料的原材料價(jià)格一般比較低，加工成本低廉，利于產(chǎn)品的普及和推廣。
3 增強(qiáng)用纖維材料及織物結(jié)構(gòu)
增強(qiáng)用纖維材料主要包括普通玻璃纖維、碳纖維、合成纖維等。這些纖維材料可以加工成紗、布、帶、氈、短切原絲等形態(tài)使用。
3．1 無機(jī)纖維
3．1．1 玻璃纖維
玻璃纖維具有吸濕性小、尺寸穩(wěn)定、耐熱性、耐老化性、耐化學(xué)性和阻燃性好、彈性模量大、拉伸強(qiáng)度大、伸長率低等優(yōu)點(diǎn)。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種開發(fā)較早、應(yīng)用較廣的復(fù)合材料，其拉伸、彎曲、沖擊強(qiáng)度及剛度都較大。
3．1．2 碳纖維
碳纖維具有較高的強(qiáng)度與模量，但與樹脂的潤濕性、粘附性較差，在制備復(fù)合材料前，需對(duì)纖維進(jìn)行表面活化處理。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種強(qiáng)度、剛度、耐熱性均較好的復(fù)合材料。
3．1．3 硼纖維
硼纖維是一種高強(qiáng)高模纖維，可用來增強(qiáng)樹脂和金屬。硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是高強(qiáng)高模纖維增強(qiáng)塑料中性能最好的一種復(fù)合材料。
3．1．4 碳化硅纖維
碳化硅纖維拉伸強(qiáng)度大，模量高，耐熱性好，可耐1250℃的高溫，相容性好。碳化硅纖維樹脂基復(fù)合材料的抗壓、抗沖擊強(qiáng)度及耐磨性優(yōu)于碳纖維增強(qiáng)樹脂。
3．2 高強(qiáng)高模合成纖維
3．2．1 芳香族聚酰胺纖維
該纖維最大特點(diǎn)是低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫，與樹脂粘結(jié)性好。它所增強(qiáng)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)材料，彈性模量是玻璃纖維增強(qiáng)材料的2倍，但低于碳纖維增強(qiáng)材料。
3．2．2 超高模量聚乙烯纖維
該纖維具有極高的強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性、生物適應(yīng)性好，密度低，但在用于復(fù)合材料時(shí)受粘著性差的限制，必須經(jīng)過等離子體燒蝕、輻射誘導(dǎo)接枝等不同方法的表面改性處理。
3．2．3 混雜纖維
混雜纖維增強(qiáng)指兩種短纖維混雜或兩種長絲單向增強(qiáng)，也可以是兩種不同纖維組成的包芯復(fù)合紗作增強(qiáng)材料，然后再與一種樹脂基體復(fù)合。混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料除了單一纖維特點(diǎn)外，還有一些特殊的性能，可滿足不同的應(yīng)用需要。
3．3 增強(qiáng)用織物結(jié)構(gòu)
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)相除了采用分散裝的短纖維或長絲束，還可以是通過織物成型方法制成的繩、帶、氈及各種不同的織物結(jié)構(gòu)，即預(yù)成型件，它沒有分散狀纖維的無纏結(jié)、剪切效應(yīng)等缺陷，這種預(yù)成型件可以根據(jù)復(fù)合材料最終產(chǎn)品_的需要，制成不同的結(jié)構(gòu)和不同的形狀，如機(jī)織物、針織物、編織物、非織造織物、多層織物、三維織物等結(jié)構(gòu)，采用這些形式的紡織結(jié)構(gòu)材料作增強(qiáng)相，不必機(jī)械加工，一次成型便可制成工字梁、I 型梁、十字梁、錐形、螺旋狀等異形結(jié)構(gòu)件。
4纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用
4．1 滑雪板
滑雪運(yùn)動(dòng)中，滑雪板的質(zhì)量關(guān)系到運(yùn)動(dòng)員的生命安全和運(yùn)動(dòng)成績，而滑雪板的結(jié)構(gòu)和材料比較復(fù)雜。一般滑雪板有木質(zhì)、金屬和纖維復(fù)合材料(一般為玻璃纖維)之分。木質(zhì)的輕而價(jià)格便宜，但易受潮變形。鋁合金制金屬滑雪板價(jià)格較高，對(duì)雪地的要求高，適應(yīng)性差。纖維復(fù)合材料滑雪板適合任何雪質(zhì)的雪地，且維護(hù)方便。目前市面上性能優(yōu)異的滑雪板一般是以夾芯復(fù)合材料制成的。這種滑雪板的芯材是由木材或PU、PVC等制成，滑雪板的彈性正是來源于此；碳化纖維位于芯層上部，可加強(qiáng)滑雪板屈伸度；玻璃纖維置于芯層上方，能起到一定的連接作用，可連接面板和芯層，增加滑板的韌度，也能夠讓滑板更有力度。
4．2 高爾夫球桿
1972年美國Shakespear公司用長絲纏繞法制成高爾夫球桿，同年，美國的G．Brewer采用CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)制成球桿，此后，為了適應(yīng)球的飛行距離和方向穩(wěn)定性要求，在重量、尺寸和負(fù)荷等方面加以改善。現(xiàn)在高檔的高爾夫球桿，采用碳纖維復(fù)合材料，密度小，強(qiáng)度高，彈性高，耐沖擊，使高爾夫球桿變得可多次重復(fù)使用，而且也使運(yùn)動(dòng)員可充分發(fā)揮揮桿打球的力量和技術(shù)。
4．3 自行車
20世紀(jì)80年代中期，意大利、法國、英國和美國相繼開發(fā)成功了用碳纖維管和鋁合金接頭粘接成車架的碳纖維自行車。其車架重量較鉻鉬鋼車架輕，強(qiáng)度、剛度卻比鉻鉬鋼車架高，因此一經(jīng)研制成功，便被用作專門的比賽用車。曾獲得男子自行車公路賽冠軍的德國著名車手烏爾里希的“坐騎”就是用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作的支架，質(zhì)量僅7.5 kg。目前一般使用樹脂傳遞模塑工藝(RTM)來批量生產(chǎn)自行車。
4．4 網(wǎng)球拍
目前世界上高、中檔網(wǎng)球拍大多是用碳纖維復(fù)合材料制成的。最早把碳纖維應(yīng)用于網(wǎng)球拍的是1974年美國Chemold等公司。碳纖維復(fù)合材料可制大型網(wǎng)球拍，減震吸能性能好，設(shè)計(jì)自由。與其他材料相比，碳纖維應(yīng)用于網(wǎng)球拍有以下優(yōu)勢：①可制造大型網(wǎng)球拍：與過去木制的相比，在同樣重量下，球拍面積可增加1.5倍左右，網(wǎng)線的張力比普通拍提高2O%～45%。②減震阻尼性能好：碳纖維復(fù)合材料的減震阻尼性能出類拔萃，它不易起振，起振后也易停振。③設(shè)計(jì)自由度大。
5 國外和我國研制生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體育器材簡況
近年來發(fā)達(dá)國家利用其在材料及工程技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，使復(fù)合材料在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，已取得了令人矚目的成就。目前已研制出采用GF、CF、芳綸纖維或陶瓷纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為骨架的網(wǎng)球拍；滑雪棒以采用層壓的復(fù)合材料制造；劃槳、高爾夫球、曲棍球棒等也有類似的情況。我國大陸地區(qū)在制造FRP體育器材方面也作了大量工作。如上海玻璃鋼結(jié)構(gòu)研究所早在2O世紀(jì)60年代采用南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院研制的高模量玻璃纖維制成FRP撐桿。浙江富春江水上運(yùn)動(dòng)器材廠和富春江體育器材廠等單位研制開發(fā)出ACM(先進(jìn)復(fù)合材料)系列賽艇，除供國內(nèi)選手外，還遠(yuǎn)銷國外參加國際比賽，為發(fā)展纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體育器材做出了重要貢獻(xiàn)。
6 結(jié)束語
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材領(lǐng)域已形成了較大的市場。1997年全世界運(yùn)動(dòng)器材中復(fù)合材料消耗量為5萬噸，所占比例達(dá)到了25%。業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為，隨著體育運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)器材越來
越苛刻的要求，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料運(yùn)用到體育用品中來是21世紀(jì)體
   gqgmzhang 發(fā)表于 2008-08-21 12:17