何 鵬

(太原工業(yè)學院體育系，山西 太原 030008)

引 言

目前，傳統(tǒng)的體育器材大都采用木材或金屬材料等，這些材料的物理特性使體育器材的強度受到很大程度上的限制。隨著科技的發(fā)展，新材料廣泛應用于各項體育器材中，甚至成為競技體育中決定勝負的關鍵因素[1-3]。基于各種新材料優(yōu)良的特性，如高的比強度、比模量、質輕，耐磨，阻尼性能好，可設計性強等，顯著提高了體育器材的各項性能，使其得到了廣泛應用[4-5]。本文就一些已廣泛應用于體育器材的新材料，如尼龍纖維復合材料、不飽和聚酯復合材料、碳纖維復合材料及環(huán)氧樹脂復合材料的性能特點及在體育器材中的應用做了詳細介紹。同時，對21世紀炙手可熱的新材料，石墨烯復合材料的結構特性及在體育器材中展現(xiàn)的優(yōu)良特性做了介紹。

1 體育器材用新材料種類

1.1 石墨烯復合材料

石墨烯結構因表面張力過大，一直被認為是理論模型，難以單獨穩(wěn)定存在，直到2004年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的“機械剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出了單層的碳材料即石墨烯，證實了它可以單獨存在。這兩位科學家也因在二維石墨烯材料的突出貢獻，獲得了2010年諾貝爾物理學獎的桂冠。石墨烯可以薄到只有一個碳原子的厚度，是目前已知的世界上最薄、最強、導熱性最好且擁有強大柔韌性的納米材料；它的強度比鋼還要高100倍；還具有優(yōu)異的導電性。

添加適量的石墨烯能使石墨烯高分子納米復合材料的尺寸穩(wěn)定性、韌性、耐熱性和力學性能同時得到顯著提高。石墨烯復合鎂基材料與商用AZ31鎂合金材料相比，20 ℃的磨損體積減小了89%[6]，與齒輪用WC-Co復合材料相比，添加10 vol%石墨烯后，試樣的熱疲勞壽命增加209%[7]，大量的理論和實驗證明，石墨烯高分子納米復合材料憑借其高強度、高耐磨、高耐熱的特點在體育器材領域有著重要的潛在應用價值。

1.2 尼龍纖維復合材料

1960年前后，為了提高尼龍的耐熱性，杜邦公司等開始芳香族聚酰胺的研究。主要產(chǎn)品有兩種，一是聚間苯二甲酰間苯二胺 (Nomex纖維)，另外一種是聚對苯二甲酰對苯二胺(Kevlar纖維)。Nomex纖維結構中苯環(huán)的存在使分子鏈不能內(nèi)旋轉，較強的極性酰胺基在分子鏈之間形成氫鍵，增大了分子鏈之間的作用力，苯環(huán)與酰胺基之間又可形成共軛體系。因而，聚合物分子鏈具有很大剛性，可以使聚合物具有以下優(yōu)良的性能特點，高耐熱、高強度、高剛度、耐化學腐蝕、耐高能輻射、難燃、耐潮濕等。Kevlar纖維結構中分子鏈交替地由苯撐基和極性酰胺基組成，且都呈高密度分布；酰胺基與苯環(huán)又可以形成共軛體系；特別是苯撐基比間位苯基對分子鏈變剛性的影響更大。剛性苯環(huán)及高密度氫鍵使聚合物的玻璃化溫度在345 ℃以上，熱分解溫度達到560 ℃，模量是鋼鐵的3.5倍，而密度卻是其五分之一，斷裂強度也遠遠高于其他材料；同時，使聚合物具有質量輕、抗沖擊能力強、耐高溫、耐腐蝕、阻燃、膨脹系數(shù)小、韌性大的特點[8]。

使用芳香尼龍制成的三維紡織織物復合材料具有高強度，抗沖擊性好的優(yōu)點，并廣泛應用于運動防護工具，如防護服、防護手套、護腿板、護膝等。使用芳香尼龍制成的繩索廣泛用于滑水繩、滑翔傘繩、降落傘及攀登的繩索等，主要應用的是芳香尼龍的高強，尺寸穩(wěn)定性好，耐磨，耐潮濕的優(yōu)良特性[9]。

高抗沖尼龍，超韌尼龍Zytel ST(由EPDM增韌PA66)，一種由0.1 μm～1.0 μm直徑的彈性體均勻分布在PA66基體內(nèi)，組成了分散的兩相結構。其沖擊強度達到了900 J/m～1 020 J/m，為 PA66的十幾倍，同時保留了尼龍本身的耐化學性、撓曲性和耐磨性，也廣泛用于運動防護工具，除具有高強度，不易蠕變，耐磨等優(yōu)良特性外，添加柔韌的彈性體制備的防護工具佩戴舒適，質量輕，透氣性好，還具有防震功能。

1.3 不飽和聚酯復合材料

20世紀40年代初，英國的J.R.Whenfield和J.T.Dikeon參閱了美國杜邦公司關于脂肪族二元酸與二元醇合成聚酯的論文，以對苯二甲酸和乙二醇為原料，在實驗室中成功地合成了聚對苯二甲酸乙二醇酯，并制成了聚酯纖維。于1946年發(fā)表了世界上第一個生產(chǎn)聚酯纖維的專利。不飽和聚酯樹脂是指分子鏈上具有不飽和鍵(如雙鍵)的聚酯高分子，先由二元酸與二元醇發(fā)生酯化反應制成線型聚酯，再溶解于一定量的交聯(lián)單體(如苯乙烯)進行交聯(lián)固化，得到體型結構的不飽和聚酯，為熱固性樹脂。不飽和聚酯的澆筑產(chǎn)品可以用于多種運動器材，包括網(wǎng)球拍、雙杠、單杠、助跳板、賽艇、道具、魚竿、保齡球等[10]。

1.4 碳纖維復合材料

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度?，F(xiàn)在的F1(世界一級方程錦標賽)賽車，車身大部分結構都用碳纖維材料。頂級跑車的一大賣點也是周身使用碳纖維，用以提高氣動性和結構強度。如今使用的第四代撐桿主要是采用碳纖維復合材料制成，可以保證撐桿柔韌結實又不會斷裂扭結，大幅度提高了運動員的成績。具有高阻尼特性的碳纖維復合材料也廣泛應用于高爾夫球桿，減輕自重10%～40%，可使擊球時間延長，球被擊得更遠。大型網(wǎng)球拍需要采用重量輕，比強和比模大的碳纖維復合材料來制造，可以使網(wǎng)球獲得較大的初始速度。比賽專用的自行車多個部位，如車構架，曲軸及座位支架等均使用碳纖維復合材料制成，賦予車體良好的剛性和減震性能[11-13]。

1.5 環(huán)氧樹脂復合材料

環(huán)氧樹脂是指在分子結構中含有2個或2個以上環(huán)氧基團，在適當?shù)脑噭┳饔孟履軌蚪宦?lián)成三維網(wǎng)狀固化物結構的一類重要的熱固性樹脂。90%以上是雙酚A型環(huán)氧樹脂，即由雙酚A和環(huán)氧氯丙烷進行縮聚的產(chǎn)物。環(huán)氧樹脂的分子結構中有脂肪族羥基、醚鍵和環(huán)氧基存在，這些極性基能與金屬和硅酸鹽等材料的極性表面產(chǎn)生較強的分子間作用力；特別是環(huán)氧基可以和含有活性氫的材料表面產(chǎn)生化學鍵；同時，醚鍵的存在使樹脂的分子鏈柔順性較好，有利于在材料表面層的擴散。因此，環(huán)氧樹脂的黏著性很強，有“萬能膠”之稱。環(huán)氧樹脂跑道能夠提高運動員的蹬地力量，加快步幅和步頻，從而提高運動員的成績。環(huán)氧樹脂涂料用于室內(nèi)場地的鋪設，具有較好的柔韌性、彈性和緩沖性，在一定程度上能夠減緩地面對運動員的腳踝，膝關節(jié)等部位的沖擊，極大保護了運動員的身體，并且材料還具有一定的消音性，減少了比賽過程中的噪音干擾[14]。

2 結語

我國對于新材料的研發(fā)和使用與歐美發(fā)達國家仍有很大差距。隨著科技的進步，新材料會被更多人認識和接受，價格也會隨之下降，與此同時，其在體育器材中的應用會更加普遍。因此，國家在發(fā)展競技體育的同時，也必須高度重視高新材料的開發(fā)，改性和利用，體育事業(yè)才能實現(xiàn)更快更好的發(fā)展。隨著人們個性化需要的不斷加大，未來體育器材會向個性化、智能化方向發(fā)展，同時，環(huán)境友好型、可降解型體育器材用新材料會越來越受到人們的關注。