李珈騏

摘要：近年來，材料學發(fā)展的新領域是塑料及復合材料。相比較于傳統(tǒng)的金屬材料，塑料及復合材料具備更強的疲勞磨損性能，因此具備更長的應用年限。在體育設施與運動器械中應用塑料及復合材料，能夠確保較低的制造與安裝成本。盡管一些塑料及復合材料的價格貴、原料產量少，可是具備顯著的環(huán)保效益，立足于長遠而言，塑料及復合材料具備更加顯著的經濟效益。為此，本文主要分析了體育設施和運動器械用塑料及復合材料的選材原則和應用問題。

關鍵詞：體育設施;運動器械;塑料及復合材料;選材;應用

中圖分類號：TQ326.3文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0068-04

體育運動項目的水平和推廣程度受到體育設施和運動器械的直接影響作用，而體育設施和運動器材中最為關鍵的因素是材料。當今，體育設施和運動器械的材料應用現(xiàn)狀為：混合應用各種材料、逐步增加和擴大塑料及先進復合材料的應用面。當前體育運動的發(fā)展趨勢是更強、更高、更快，因此需要體育設施和運動器材實現(xiàn)體育運動的發(fā)展要求，而塑料及復合材料的應用可以滿足這種需要。

1 常用的塑料類別及特點

體育設施和運動器材囊括了很多的塑料類別，經常應用的塑料類別及其特點如下所述。

1.1不飽和聚酯及特點

固化之后的不飽和聚酯具備不透明或透明的特點，該材料的耐酸性與柔韌性優(yōu)良，并且穩(wěn)定性和力學性能優(yōu)良，然而該材料缺少較高的耐熱性和耐光性，一般跟纖維材料復合應用，例如，以手糊成型制作皮劃艇身能夠應用50%的玻璃纖維和50%的聚對苯二甲酸丁二醇酯，結合擠壓以及纏繞成型能夠制作成高爾夫球棒。

1.2環(huán)氧樹脂及特點

固化之后的環(huán)氧樹脂的特點是尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良、抗腐蝕性好、力學性能高，因為其具備較多的固化體系，各種固化劑可以獲得多樣性的環(huán)氧樹脂材料性能，所以能夠結合各種應用行業(yè)實施異樣的固化體系。除此之外，環(huán)氧樹脂還能夠跟纖維增強材料復合應用，以提高其力學性能，其被普遍地應用于制作撐桿中，而弓箭和魚竿的制作也能夠應用碳纖維和環(huán)氧樹脂復合材料以纏繞成型的方法獲得。

1.3聚鄰苯二甲酸二烯丙酯及特點

聚鄰苯二甲酸二烯丙酯的黏結性能優(yōu)越，能夠跟碳纖維和玻璃纖維等材料復合應用，以獲得耐疲勞、韌性大、強度高的復合材料，尤其適宜應用于運動器材上。

2 用塑料及復合材料的選材原則

對于塑料及復合材料的在體育設施和運動器械中的應用而言，首先確保其滿足制成品的基本性能，像是具備相應的韌性和強度等，然后再完善其它方面。下面，筆者綜合性地分析了體育設施和運動器械用塑料及復合材料的選材原則。

2.1輕質化的選材原則

大部分的運動器械需要結合人力實現(xiàn)運動，為此，需要其具備較輕的質量，像是冰鞋、撐桿、賽艇、游泳衣等運動衣、跑鞋等運動鞋、滑雪板、皮劃艇、自行車等。一部分需要憑借機械力實現(xiàn)運動的體育器械，其在一定功率的前提條件下，其主導依舊是輕質材料，像是電動游樂船、電碰車、賽車等。對于體育設施而言，輕質化非常便于維修、拆卸、安裝等，以及輕質材料常常具備優(yōu)良的阻尼減振性能，這也是體育場館和跑道的需求標準。塑料及復合材料的一個典型特色是輕質化。當然，塑料及復合材料的密度也存在不同之處，通常而言，塑料的密度要小于復合材料的密度。

2.2耐老化的選材原則

需要在戶外應用大部分的運動器械和體育設施，受到酸性氣體和臭氧的作用、雨水侵蝕、紫外線和太陽光照射的影響，以及高溫和低溫交替的影響，導致缺少耐候性的材料顏色變暗、表面龜裂、出現(xiàn)老化等，這就需要塑料及復合材料的應用具備優(yōu)良的耐老化性能。特別是對于露天的滑雪場圍欄、場館地板、跑道等體育設施而言，這種要求更高。

2.3好韌性與高強度的選材原則

大部分的運動器械需要具備輕質的特點，而減重的一個關鍵策略是減小材料的密度。除此之外，如果材料具備較高的強度，那么能夠在實現(xiàn)相同力學性能的基礎上降低使用的材料量，進而確保運動器械的輕質化。尤其是具備顯著比韌性（性能和質量的比）、比模量、比強度的材料更適宜應用于體育設施和運動器材上。雖然金屬（鋁和鋼等）的力學性能優(yōu)異，可是其比模量、比強度都顯著低于樹脂基纖維增強復合材料。像是碳纖增強環(huán)氧樹脂的比模量是鐵、鋁、鋼的4～6倍，其比強度是鐵合金的3～5倍，是鋁合金的4～6倍，是鋼的5～8倍。因此，在具備相同模量和強度的情況下，樹脂基復合材料的應用能夠大大降低制成品的質量。

2.4容易加工成型的選材原則

體育設施與運動器材中應用塑料及復合材料的一個關鍵要素是優(yōu)良的成型加工性。通常而言，能夠以熱成型、擠出、吹塑、注塑等方法加工熱塑性塑料和合金，較為簡單。無論是熱固性樹脂基復合材料，還是熱塑性樹脂基復合材料，往往難以成型。然而，基于持續(xù)開發(fā)具備優(yōu)良加工性能的樹脂和該行業(yè)成型技術的不斷進步，能夠以相應的方式加工各種材料為成型產品。樹脂傳遞模塑成型、拉撥成型、壓制成型、真空袋成型、軟模成型、纏繞成型、熱壓灌成型、壓力袋成型等是先進復合材料的主要成型技術。不過，通常的復合材料也實施層壓成型、噴射成型、手糊成型的方式，像是能夠以手糊成型技術制作游樂船。

2.5其它方面的選材原則

在體育設施與運動器材中應用塑料及復合材料不但應堅持以上原則，而且應兼顧材料的性價比、舒適性、阻尼性、衛(wèi)生性等。一些設施需要具備優(yōu)良的阻尼減振性能，像是塑膠跑道、跳高緩沖墊、體育場館地板;運動器具（像是運動服飾）的舒適性可以使運動員的成績提升;衛(wèi)生性需要應用的材料不會充滿難聞、有毒、有害的氣體，其屬于運動衛(wèi)生性提升的關鍵性標準;性價比也是需要關注的一個方面，在級別較高的運動比賽往往應用價格高、性能卓越的產品，往往較難普及和推廣。

3 塑料及復合材料的選材應用

3.1水上運動設施的選材應用

船體材料需要具備較高的剛度和強度，為此，纖維增強塑料（像是玻璃纖維增強熱固型樹脂材料）被常常應用。另外，一部分性能高的纖維材料（像是高性能碳纖維材料）能夠實現(xiàn)比模量和比強度的提升。帆船帆板應用的主導材料是丙烯酸酯/苯乙烯/丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，一部分熱固性樹脂材料（聚氨酯和環(huán)氧樹脂等）也在該領域中應用。主要選用芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維、石墨纖維等增強材料。而對于滑水板和沖浪板等設施而言，主要將聚氨酯泡沫復合材料和纖維增強塑料應用于外層，而主要將聚氯乙烯和乙烯基樹脂等復合材料應用于內層。

3.2滑板運動設施的選材應用

滑板的主要組成部分是砂紙、輪子、支架、板體等，金屬、黏土、橡膠是其最開始應用的材料，聚氨酯材料是當今的應用主導。對于其輪子，能夠在控制聚氨酯使用量的基礎上控制其硬度，以適應各種路面。將聚碳酸酯與聚丙烯應用于其塑料板面，這兩種材料具備的強度和力學性能能夠實現(xiàn)荷載情況下板面的不損壞或不變形。另外，塑料材料的輕質化特色便于使用和攜帶。

3.3球類運動設施的選材應用

各種球拍、保齡球、高爾夫球、棒球等是常見的球類，主要將發(fā)泡離子樹脂應用于高爾夫球，應用聚對苯二甲酸丁二醇酯復合材料以及碳纖維增強塑料于球棒上，聚氨酯發(fā)泡材料是其里面的填充物。另外，壘球棒也能夠應用纖維增強塑料制作而成，當今一般以玻璃纖維增強塑料和硬質聚氨酯泡沫材料制作高性能的壘球，這樣不但使球棒高強和輕質，而且使球棒的壽命顯著增加。在球拍制作上主要應用性能強的塑料復合材料，當今一般以玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂、碳纖維增強環(huán)氧樹脂制作高檔球拍。因為應用過程中的球拍受力十分復雜，不但要確保球拍的高強度彎曲功能，而且要確保球拍的強度和扭曲剛性優(yōu)良。纖維增強樹脂復合材料的特點是比模量、比強度高及輕質，還能夠確保球拍的不變形。纖維增強塑料復合材料還可以吸能減震，能夠尤為舒適地應用。

3.4自行車的選材應用

當前制造自行車中應用很多的塑料及復合材料，這提高了其性能和降低了車身質量。自行車中應用塑料主要存在兩個方面：一是以數(shù)值基復合材料使自行車的附加值提升，降低車身質量，當今在車輪與車架中普遍地應用樹脂基復合材料;二是在小型自行車制造中應用熱塑性塑料成型。

3.5撐桿的選材應用

對于撐桿跳運動而言，木質材料是應用最早的材料，盡管其強度較高，可是缺少理想的彈性，以及質量較重。之后木質撐桿被竹制撐桿所取代，因為竹制撐桿的質量強和韌性強，從而顯著提升了選手的比賽成績。在上個世紀的60年代，撐桿制作中應用尼龍材料，然后逐步應用玻璃纖維增強尼龍材料，這顯著提升了撐桿的性能。在研發(fā)性能更高的纖維材料影響下，玻璃纖維逐步被碳纖維增強樹脂材料所代替，變成具備最為理想性能的撐桿材料。這是由于碳纖維增強撐桿材料的優(yōu)勢在于彈性形變性能優(yōu)越，可以顯著地儲存能量，從而高效率地轉變彈性勢能為動能，讓選手取得尤為理想的比賽成績。

3.6跑道即運動場的選材應用

當今水泥地面逐步地被塑膠地板和跑道取代，其被普遍地應用于學校操場和體育場中，塑膠跑道的特點是美觀、防滑、減震性好。對于塑膠跑道而言，其組成結構有很多層，其中有聚丙烯酸酯材料的塑膠彈力層（最上層）、乳狀乙烯-乙酸乙烯酯和橡膠顆粒組成的塑膠層、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和沙子組成的過渡層等。另外，改性聚氨酯材料跑道的特點是環(huán)境友好型、低毒性，為此，人們越來越注重對傳統(tǒng)聚氨性方法的分析。例如，納米改性聚氨酯材料的彈性與強度非常好，以及具備顯著的耐磨性能和耐老化性能，結合無機離子改性之后的聚氨酯復合材料顯著優(yōu)化了斷裂伸長率和拉伸強度，因而具備尤為理想的耐熱性和阻燃性。

3.7其它方面的選材應用

一部分體育運動項目常常要求保護好眼睛，護目鏡以聚碳酸酯材料制作可以在破裂的情況下確保眼睛不被碎片傷害，運動頭盔還能夠以聚碳酸酯材料進行制造。也應用耐磨損和耐摩擦的聚氨酯材料制作溜冰鞋輪。應用聚甲醛材料制作滑雪杖，在實現(xiàn)要求機械強度的情況下還可以使其摩擦力減小。在制作釣魚竿中還能夠應用增強纖維的中高溫固化環(huán)氧樹脂，干法卷管成型是其制造工藝技術，這樣制造的釣魚竿具備光滑的表面，以及具備理想的力學性能。

4 結語

綜上所述，跟傳統(tǒng)的金屬材料進行比較而言，塑料及復合材料具備尤為理想的性能，以及具備多樣化和簡單的成型工藝，其將尤為普遍地應用于體育設施和運動器械中。并且，體育設施和運動器械中應用塑料及復合材料還具備成本小、應用年限長等優(yōu)勢。在以后的發(fā)展中，塑料及復合材料將更加注重選用增強材料和樹脂基體，從而使材料的性能變得尤為特殊，能夠實現(xiàn)各種運動項目和比賽的需要?？傊?，基于社會的發(fā)展，人們對體育設施和運動器材的標準不斷提升，塑料及復合材料的可設計性和多樣性能意味著其發(fā)展前景將十分廣闊。