馬德厚

摘要：快速發(fā)展完善的科學技術(shù)為新型高分子材料與復合材料的發(fā)展及應用提供了技術(shù)支撐，將這些先進材料應用到體育器材中可使體育器材性能得以有效增強，文章對新型纖維材料在體育器材中的應用和影響進行了研究，在闡述新型纖維材料的應用優(yōu)勢及分類情況的基礎(chǔ)上，對一些包括新型纖維在內(nèi)的先進材料在不同體育器材中的應用與影響進行了分析，特別是對其在體育器材方面的應用優(yōu)勢進行了闡述，指出研發(fā)及使用新型纖維對發(fā)展體育器材、提升體育成績方面所起到的重要輔助作用。

關(guān)鍵詞：新型纖維材料;體育器材;應用優(yōu)勢;影響分析

中圖分類號：TQ342.742;TS952文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0078-04

快速發(fā)展的信息技術(shù)和新材料促使日常生產(chǎn)生活方式的變革，融合了現(xiàn)代科學技術(shù)的體育及其使用器材代表著一國的科技發(fā)展水平，現(xiàn)代體育競爭離不開科學技術(shù)提供的輔助支撐，先進新穎的材料已成為體育科學水平有效提升的重要手段，體育運動逐漸從傳統(tǒng)簡易的器材和活動場所向標準化、規(guī)范化的器材（用先進材料制作）和比賽場發(fā)展，體育運動這一發(fā)展過程離不開體育運動及使用材料的科學發(fā)展，如何通過高新材料促使體育器材發(fā)展已經(jīng)成為研究的熱點之一?；跈C械理論及力學原理的體育器材的設(shè)計應用具體作用于人的組織、韌帶、關(guān)節(jié)上，為了確保運動員成績的提升與安全陸，理想的體育器材設(shè)計需融合包括材料學、力學、機械設(shè)計等在內(nèi)的多學科知識，同時需兼顧使用材料的性能及材料安全系數(shù)（包括減震性、密度、韌度、強度等），以提升體育器材的科學性和安全性，在提升器材本身使用舒適性的同時提高成績。

1新型纖維材料的應用優(yōu)勢及分類

1.1優(yōu)勢

在纖維增強復合材料成功研發(fā)前，以木材、鋼材、不銹鋼、鋁合金等作為傳統(tǒng)體育器材的材料，纖維增強復合材料的優(yōu)勢表現(xiàn)在：較強的可設(shè)計性，不斷完善的復合材料成型技術(shù)限制提升了設(shè)計體育運動器材的空間和自由度，更易于獲取各種產(chǎn)品相應的成型方法，甚至能夠以實際運動選手本身特點為依據(jù)實現(xiàn)體育運動器材的定制，從而提升體育器材的人性化和實用性;良好的力學性能，體育器材需兼顧使用性能和力學性能，在比強度、比模量和比彈性方面表現(xiàn)突出的纖維增強復合材料還具有良好的阻尼減震性能，成為體育器材主要原料之一;重量較輕，體育運動器材的運動（如高爾夫球桿、自行車、滑雪板等）大多借助人力完成，要求器材越輕越好，相比于金屬桿應用碳纖維增強材料后的球桿的力學性能得以明顯提高（僅達到金屬桿重量的30%-50%）;此外環(huán)保也是開發(fā)體育器材過程需充分考慮的重要因素，復合纖維材料不會散發(fā)有害氣體，通常可回收利用，具備良好的節(jié)能優(yōu)勢。

1.2分類及應用

1）玻璃纖維，屬于質(zhì)硬易碎物體的玻璃不適用于結(jié)構(gòu)用材，通過將其進行抽絲處理可實現(xiàn)強度及柔軟性的顯著增強，在配合使用樹脂完成相應定型成為極佳的結(jié)構(gòu)用材，將廢舊玻璃作為原料經(jīng)一系列工藝制造后（包括高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗等）形成玻璃纖維，具有耐化學性、吸濕性小、耐熱/耐老化、伸長率低的優(yōu)勢，玻璃纖維的強度同其直徑成反比，每束纖維原絲由數(shù)百根單絲構(gòu)成（可達上千根），單絲直徑范圍在幾微米到30um微米（僅為頭發(fā)絲的1/20-1/5）。在復合材料領(lǐng)域中，彈性模量、拉伸強度大的玻璃纖維在運動器材中的應用較早。

2）碳纖維，是一種含碳量成功85%的碳素纖維，將相關(guān)材料（以有機纖維、瀝青基為主）進行碳化和石墨化處理后形成，作為力學性能優(yōu)異的新材料的一種，線膨脹系數(shù)小的碳纖維相比于其他金屬材料（如鈦、鋼、鋁等）表現(xiàn)出了更好的物理性能，碳纖維輕于鋁、比重低于鋼的1/4，比強度可達到鐵的20倍，具有強度大、模量高、密度低等優(yōu)勢，在新材料中占有重要地位，已經(jīng)在飛機制造、風力發(fā)電、體育球棒生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應用，纖度（采用9km長纖維的克數(shù)進行表示）極好的碳纖維的拉力高達300Kg/mm²，纖度約為19g。碳纖維復合材料在嚴格要求剛度、高溫環(huán)境及化學穩(wěn)定性等生產(chǎn)領(lǐng)域和使用場合變現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。不同碳纖維的力學性能如表1所示。可以體育器材的不同類型及力學性能要求為依據(jù)有針對性的完成碳纖維的選擇?？紤]到碳纖維具有潤濕性、粘附性較差的不足，對碳纖維需在先完成便面活化處理的基礎(chǔ)上完成復合材料的制備。

3）硼纖維作為一種重要的高科技纖維，其本質(zhì)上屬于一種復合纖維，通過使用化學氣相沉積法完成制取過程，其芯材一般采用鎢絲和石英，硼纖維的最早開發(fā)研制用途在于制造質(zhì)輕且強度高的增強用纖維材料，以供制造高性能飛機使用，硼纖維具備高強度、高模量的優(yōu)勢，規(guī)模生產(chǎn)的硼纖維應用領(lǐng)域不斷擴大（包括宇航、體育及工業(yè)等），化學氣相沉積法、乙硼烷的熱分解或熔融是生產(chǎn)硼纖維的主要方法，目前最經(jīng)濟的方法為化學氣相沉積法，該制備方法的芯材一般使用鎢絲（直徑為12.5um），三氯化硼與氫氣的化學混合物通過反應管由電阻加熱至約1300℃完成化學反應后，鎢絲表面上沉積形成硼層，最終導出制成的硼纖維。對樹脂和金屬材料起到顯著的增強作用，在增強塑料中硼纖維增強環(huán)氧樹脂性能最好，是在體育器材中應用較多的高強、高模纖維復合材料。

4）碳化硅纖維具有較好的耐熱性和相容性，拉伸強度大、模量高的碳化硅纖維（于1983年完成批量生產(chǎn)開發(fā)）的制備方法主要有先驅(qū)體轉(zhuǎn)換法和化學氣相沉積法兩種，采用碳化硅纖維的復合材料能夠用于制成抗壓、抗沖擊及耐磨的體育運動器材。

5）芳香族聚酰胺纖維，以低密度、高強度、高模量、耐高溫方面的優(yōu)勢最為突出，最初命名為芳香族聚酰胺（Dupont公司發(fā)明），熔點高于分解溫度芳族聚酰胺類化合物限制了纖維的制造方法（只能用溶液法）。隨著科技的進步目前可使用的成形方法包括干濕法紡絲（以濃硫酸為溶劑，Dupont公司開發(fā)）和Monsand方法（通過化學改性處理對位芳香聚酰胺后在有機溶劑進行溶解最終實現(xiàn)紡絲的成形）。作為技術(shù)含量及附加值較高的一種特種纖維，芳香族聚酰胺纖維與樹脂的粘結(jié)性好，相比于玻璃纖維和碳纖維增強材料，芳香族聚酰胺纖維增強后的復合材料具備更好的拉伸強度，彈性模量優(yōu)于玻璃纖維增強材料。

6）超高模量聚乙烯纖維（密度為0.97g/cm²），具有高度取向的伸直鏈結(jié)構(gòu)，屬于高性能纖維，相比于碳纖維和芳綸表現(xiàn)出來更好的輕質(zhì)及高強度優(yōu)勢，具有良好的耐候性，較強的化學惰性使其具備更好的化學穩(wěn)定性，其強度受到有機溶劑、強酸、強堿溶液的影響較小，耐紫外性能優(yōu)越（在太陽照射1500h后仍能保持80%纖維強度），耐低溫性較好（可在低至一150℃的溫度下使用）。在現(xiàn)有高性能纖維中，超高模量聚乙烯纖維表現(xiàn)出了更好的柔韌性、耐磨、抗切割及抗張力疲勞性能，在安全防護、航空航天、車船制造、體育等領(lǐng)域應用廣泛。超高模量聚乙烯纖維存在不易染色加工的不足。

7）混雜纖維，體育運動器材中應用的混雜纖維增強通過長絲單向增強、兩種短纖維混雜或由包芯復合紗（兩種纖維組成）作增強材料實現(xiàn)，混雜纖維增強復合材料兼具單一纖維優(yōu)勢及單只組成纖維的特殊性能，實現(xiàn)優(yōu)勢間的互補，可使體育運動器材的不同需求得以有效滿足，通過應用混雜復合材料可使體育器材成本得以降低，通過優(yōu)化選擇使用纖維及體積含量實現(xiàn)物理和機械性能范圍的擴展，并可獲取單項或組合的性質(zhì)。

2新型纖維材料在體育器材中的應用

發(fā)展體育器材過程中新型纖維材料發(fā)揮著重要作用，該種材料不同于常規(guī)天然纖維，其強度、柔韌度、模量等方面得以顯著改善，具備重量輕、強度高、易于設(shè)計和加工等優(yōu)勢，采用新型纖維增強的復合材料得以在體育器材中廣泛應用。

2.1網(wǎng)球球拍中先進材料的使用

網(wǎng)球運動十分受大眾青睞，最初使用的是木質(zhì)球拍，在級別較高的比賽中多以加蓬欖木、木岑木等作為運動員使用球拍的材料，自20世紀60年代混合材料球拍逐漸占據(jù)主導地位，隨后金屬混合框架（鋁制或鋼制）廣泛應用于網(wǎng)球拍在減緩了危險性振動的同時提升了球速，網(wǎng)球拍主要使用金屬混合物（包括鈦、鎂、鋼、鋁等）制作而成，相比于金屬材料碳纖維混合材料的硬度更高，在在撞擊球的情況下需將較大的力量傳輸給球，此時極易形成頻率較高的振顫，為降低振顫力度需對球拍柄進行完善和優(yōu)化，巢狀的聚氨醋泡沫的球拍結(jié)構(gòu)較為完善，球拍柄的構(gòu)成屬于軟質(zhì)內(nèi)核、多層強化纖維;此外，在采用FR纖維減緩振顫時，會導致球拍形成的硬度較大，wilson·ffk是網(wǎng)球拍的典型代表，主要由石墨、凱維拉斯、純氧化鋁陶瓷構(gòu)成（質(zhì)量分數(shù)分別為84%、12%、4%），石墨的使用可有效滿足網(wǎng)球拍對硬度和強度的要求，在跟球形成撞擊的情況下可使球拍頭部的扭轉(zhuǎn)得以避免，即通過減小球拍頭部的偏斜度實現(xiàn)球拍振顫的有效減緩，通過扭轉(zhuǎn)凱維拉斯纖維的使用則實現(xiàn)了球拍強度及使用壽命的增加。

2.2撐桿跳撐桿中先進材料的使用

撐桿比賽自20世紀50年代末開始獲得了快速的發(fā)展，隨著高溫定型復合材料的實現(xiàn)，制成的玻璃纖維復合桿（玻璃纖維和有機樹脂的粘合）被應用于撐桿跳撐桿中，在顯著降低撐桿重量的同時使其彈性、承載能力、耐用性等性能得以有效提升，逐漸成為撐桿跳選手的必備器材。運動員結(jié)束助跑向斜穴插入采用了玻璃鋼的撐桿時能夠?qū)⒀杆傧蚯暗哪芰哭D(zhuǎn)換為桿的形變能量，運動員在撐桿被最大程度壓彎后可將桿的形變能量借勢向上轉(zhuǎn)換。20世紀60到70年代美國運動員應用這種技術(shù)成為這方面佳績的創(chuàng)造者，歐洲自20世紀80年代開始取得撐桿跳優(yōu)勢，通過將系列性能較高的纖維（如碳纖維）應用到復合材料撐桿上實現(xiàn)了6m好成績的獲取。目前各國在體育競爭中均注重科技和先進材料在體育器材及運動訓練上的應用。

2.3滑雪板中先進材料的使用

滑雪板作為滑雪運動的關(guān)鍵工具，不僅影響運動員安全還影響到運動成績，對結(jié)構(gòu)和材料要求較高的滑雪板雖然在形狀上一直未有明顯的改變，但其制作材料卻不斷變更和完善。20世紀50年代以木材為原料的滑雪板對成本低質(zhì)量輕但在受潮的情況下極易變形，后改用金屬和玻璃纖維。隨著科技的不斷發(fā)展，逐漸開始采用碳纖維和混雜纖維。設(shè)計上不斷改進的滑雪板目前能夠使速度更加穩(wěn)定、轉(zhuǎn)彎更加便利、易于維護且具有良好的防滑功能。應用了新型纖維復合材料的滑雪板已經(jīng)不受雪地雪質(zhì)的限制，以夾芯復合材料制成的滑雪板（采用木材、PU、PVC作為芯材制成）具備性能優(yōu)異的性能，使滑雪板的彈性得以顯著提升，置于芯層上部的碳化纖維則使滑雪板屈伸度得以顯著增強，置于芯層上方的玻璃纖維負責連接面板和芯層，并有效增加了滑板的韌度和力度。

2.4體育場地中先進材料的使用

選手比賽舒適感、比賽成績、生物力學特征均會受到體育場地材料不同程度的影響，運動狀態(tài)下的運動員的身體肌肉會持續(xù)收縮和發(fā)力，引發(fā)的沖擊易對運動員形成運動傷害，對競技體育比賽場地的標準和要求較高。目前一種新型橡膠碎片（同米粒般大?。┰隗w育競技比賽場地中應用較為普遍，在緩沖性、柔軟性、彈性等方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，使選手受到的沖擊力得以顯著降低（包括膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳等），實現(xiàn)了安全保護的功能。具備空氣伸縮性及彈力層的底板的消音效果得以有效實現(xiàn)，避免了比賽時地板震動情況的出現(xiàn)。在跑道材料方面，相比于傳統(tǒng)所用材料而言，目前使用的塑膠跑道以高分子化學合成材料作為鋪設(shè)材料，顯著提高了彈性，大大提升了選手的蹬地能力進而有助于腳步的加速，能夠抬高選手膝蓋位置以增加每一步的步幅。

2.5賽艇中先進材料的使用

賽艇運動對安全性要求較高，需兼顧賽艇負重及賽艇在高速運動中的抗沖擊性能，為滿足賽艇的綜合性能需求，不斷進行設(shè)計和改進，采用了混雜纖維復合材料（碳纖維和玻璃纖維），以碳纖維（吉林碳纖維廠生產(chǎn)）和S高強玻璃纖維（南京玻璃纖維研究設(shè)計院）為典型代表，經(jīng)混雜后加工成平紋織物，采用混雜纖維復合材料（CF/GF）制成的賽艇提高了使用性能，但存在艇體重量超標、抗沖擊性不足等問題。引進和應用芳綸纖維后，混雜纖維復合材料賽艇得到進一步優(yōu)化，有效彌補了之前賽艇的不足。在研制混雜復合材料賽艇方面，將KF混雜于CF中可在節(jié)約燃料費用的同時使航速得以提高（20%左右），RAE公司設(shè)計制造了采用混雜復合材料作為面板的賽艇（20世紀70年代末），以夾層結(jié)構(gòu)作為主受力構(gòu)件的賽艇船體在高速度下流線外形的同時提升了減振性能及競爭能力。

3結(jié)語

不斷發(fā)展的體育活動對體育用品及使用器材的要求不斷提高，對新型材料的使用需求隨之提高，需具備較高的剛度及靜態(tài)強度、良好的抗沖擊韌性及包括疲勞特性、衰減率等在內(nèi)的動態(tài)性能，運動器材包含較為復雜的受力狀態(tài)（各部分應力分布情況大多不同），通過新型纖維材料的使用可有效解決這些問題，在體育器材的開發(fā)和完善中表現(xiàn)出了廣闊的應用前景，不斷進步的科學技術(shù)促使多種高分子材料和復合型材料的成功研發(fā)和應用，通過這些先進材料的使用能夠使器材性能得以顯著提升，推動競技體育的良好發(fā)展，現(xiàn)代新型材料的發(fā)展是體育器材發(fā)展的本質(zhì)所在，通過對新型材料充分合理的應用實現(xiàn)其高質(zhì)量發(fā)展。本文主要介紹了競技體育發(fā)展中先進材料的實際應用和影響。