何洪平

（民辦四川天一學(xué)院，四川綿竹 618200）

隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深化和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的推行，國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平和科技水平都較過(guò)去有了很大改善。從改革開(kāi)放初期的溫飽問(wèn)題得到滿足，到現(xiàn)在人們追求更好、更健康的生活。我國(guó)國(guó)民的這一需求的改變，也直接加速了我國(guó)體育事業(yè)的發(fā)展，而且國(guó)家也很重視全民身體素質(zhì)的提高，為了滿足廣大人民群眾日益增長(zhǎng)的體育需求，同時(shí)也為了紀(jì)念北京奧運(yùn)會(huì)成功舉辦，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，從2009年起，每年8月8日為“全民健身日”。因?yàn)轶w育事業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)正經(jīng)歷體育大國(guó)到體育強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中也同時(shí)帶動(dòng)了相關(guān)的運(yùn)動(dòng)器材等細(xì)分領(lǐng)域的茁壯成長(zhǎng)。與運(yùn)動(dòng)健康相關(guān)，尤其是與競(jìng)技體育相關(guān)的體育器材類產(chǎn)業(yè)也較過(guò)去有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這一方面我國(guó)和西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距也在逐漸減小。大力發(fā)展高質(zhì)量體育器材，一方面有助于我國(guó)國(guó)民安全有效地鍛煉身體；另一方面，在專業(yè)的競(jìng)技體育領(lǐng)域，高質(zhì)量的體育器材能夠明顯地提高運(yùn)動(dòng)員的綜合成績(jī)。例如，高科技的“鯊魚(yú)皮”泳衣可以幫助游泳運(yùn)動(dòng)員大幅度地提高成績(jī)。如何提高目前體育器材的質(zhì)量有很多方面的影響因素，最為重要也是最基礎(chǔ)的影響因素就是體育器材的組成材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱FRP)是由增強(qiáng)纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。在眾多的體育器材用材料中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因?yàn)槠滟|(zhì)量輕和力學(xué)性能突出等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在先進(jìn)的體育器材中得到了大范圍的應(yīng)用［1］。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于體育器材的優(yōu)點(diǎn)

1.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)量較輕

除了一些對(duì)于體育器材的質(zhì)量有嚴(yán)格要求的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，例如力量舉和傳統(tǒng)的舉重，其他大多數(shù)情況對(duì)運(yùn)動(dòng)員使用的體育器材的要求是質(zhì)量越輕越好。體育器材的重量越輕，高水平運(yùn)動(dòng)員越能夠?qū)Ｗ⒂诒荣惖陌l(fā)揮，才能更好地激發(fā)自己的潛能，創(chuàng)造出更好的比賽成績(jī)。在奧林匹克的比賽中，大多數(shù)的比賽項(xiàng)目都是依靠人力或機(jī)械、自然動(dòng)力驅(qū)使，而這些運(yùn)動(dòng)大多追求的都是更快速度、更遠(yuǎn)的距離等，因?yàn)橘|(zhì)量越大所有慣性也就越大，因此大多數(shù)比賽項(xiàng)目對(duì)于器材的要求都是質(zhì)量越輕越好。例如網(wǎng)球項(xiàng)目或者是羽毛球項(xiàng)目，傳統(tǒng)的網(wǎng)球拍或者羽毛球拍大多是金屬材質(zhì)的，在長(zhǎng)時(shí)間的使用后運(yùn)動(dòng)員的負(fù)擔(dān)較大，而相比于這些傳統(tǒng)材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著相同體積密度小、質(zhì)量輕的顯著優(yōu)勢(shì)。例如目前國(guó)際上流行使用的碳纖維材質(zhì)高爾夫球桿的質(zhì)量只有金屬的一半甚至更低，質(zhì)量明顯輕于金屬球桿。

1.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)異

纖維復(fù)合材料的物理性相比于它的原材料出現(xiàn)了巨大的變化。通過(guò)我國(guó)科研人員相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度都要明顯強(qiáng)于普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)，纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度要比普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度高出了2~10 倍；同時(shí)，纖維復(fù)合材料在滿足抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上，在抗拉實(shí)驗(yàn)中還沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形。體育器材作為一些比賽項(xiàng)目的必要輔助手段，要求體育器材具有優(yōu)異的力學(xué)性能，需要有良好的強(qiáng)度韌性還有抗拉強(qiáng)度。其中最為典型的的比賽項(xiàng)目就是撐桿跳高。對(duì)于撐桿跳高這一比賽項(xiàng)目，桿的性能對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)起到了決定性的作用。因?yàn)楸荣悓?duì)撐桿跳高運(yùn)動(dòng)員所用的桿的長(zhǎng)度有明確的要求，所以桿的強(qiáng)度、韌性以及抗震能力等力學(xué)性能的好壞又是決定桿質(zhì)量高低的關(guān)鍵因素。同時(shí)高質(zhì)量的桿還是運(yùn)動(dòng)員安全的必要保障。撐桿的材料經(jīng)歷了木桿、竹桿、金屬桿、到如今的纖維材質(zhì)桿。由于纖維復(fù)合材質(zhì)具有強(qiáng)度高、韌性好等特質(zhì)，纖維復(fù)合材質(zhì)桿的使用，使得撐桿跳高運(yùn)動(dòng)員的安全有了保障的同時(shí)，撐桿跳高的成績(jī)相比于過(guò)去也有了明顯的提高。

1.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的可加工性和可設(shè)計(jì)性

對(duì)于一些傳統(tǒng)的體育器材用材料，有的材料因?yàn)楸旧淼牧W(xué)性能差，強(qiáng)度不高且塑性較低，就導(dǎo)致了這些材料很難再進(jìn)行二次加工和設(shè)計(jì)，同時(shí)這些材料在運(yùn)動(dòng)員使用的過(guò)程中一旦發(fā)生破損，對(duì)于二次加工和利用也很困難，所以需要更換新的體育器材，造成較高的運(yùn)動(dòng)成本。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用可以很大程度上避免這一問(wèn)題，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在設(shè)計(jì)和使用的過(guò)程中，能夠盡最大可能地增強(qiáng)設(shè)計(jì)的自由性，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)者的個(gè)性化需求分不同的情況進(jìn)行體育器材的設(shè)計(jì)，這也是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。同時(shí)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)和加工成本較低，在一些大眾性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)器材中的二次維修和替換價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

1.4 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料良好的環(huán)保性

在我國(guó)推動(dòng)全民健身的過(guò)程中，在廣大的社區(qū)和農(nóng)村地區(qū)需要大量的建設(shè)群眾運(yùn)動(dòng)用體育器材，在大眾用體育器材的選材方面，就需要考慮到體育器材的環(huán)保性能，體育器材在建設(shè)和使用的過(guò)程中不能揮發(fā)出對(duì)人體有害的有毒氣體，保證大眾在一個(gè)安全環(huán)保的環(huán)境下健身。同時(shí)還需要考慮到體育器材的衛(wèi)生情況，要保證體育器材能夠方便清洗并能夠長(zhǎng)期使用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，能夠滿足以上幾點(diǎn)要求，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的衛(wèi)生性較強(qiáng)，并且部分復(fù)合材料可以再回收利用，保證綠色環(huán)保。

2 體育器材常用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的種類

2.1 無(wú)機(jī)纖維材料

在體育器材常用的纖維復(fù)合增強(qiáng)材料中，無(wú)機(jī)纖維材料是其中一個(gè)重要的組成部分，無(wú)機(jī)纖維材料中的玻璃纖維、碳纖維、硼纖維以及碳化硅纖維等常用于體育器材的制造中［2］。

玻璃纖維應(yīng)用較早，也是應(yīng)用廣泛的纖維復(fù)合材質(zhì)之一。傳統(tǒng)的玻璃材質(zhì)雖然容易碎，但是當(dāng)玻璃被一定的工藝抽成直徑以微米為衡量單位的玻璃絲狀物時(shí)，卻具備了很高的強(qiáng)度以及韌性。玻璃纖維單絲配合樹(shù)脂等介質(zhì)，幾百上千根單絲形成纖維原絲，而后通過(guò)一定的工藝形成體育器材，這一材質(zhì)的體育器材具有顯著的強(qiáng)度大、彈性模量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性。

碳纖維也是無(wú)機(jī)纖維材料之中的一種，同時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也是目前受到人們關(guān)注最高，研究和應(yīng)用范圍最廣的無(wú)機(jī)纖維材料之一。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之所以能夠得到人們?nèi)绱酥叩年P(guān)注度，其中最關(guān)鍵的因素是碳纖維具有特別優(yōu)秀的性能。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最突出的一個(gè)特點(diǎn)就是比重比金屬要輕很多，在質(zhì)量方面僅僅是傳統(tǒng)鋼材質(zhì)的四分之一，但是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度卻能達(dá)到傳統(tǒng)鋼材的的幾十倍。且它的耐熱性能優(yōu)異，化學(xué)穩(wěn)定性能優(yōu)異。

硼纖維是一種重要的技術(shù)含量很高的纖維之一。硼纖維主要是以石英等為芯材，通過(guò)氣相沉積方法制得。硼纖維的特性是強(qiáng)度高、彈性模量高，主要用于增強(qiáng)樹(shù)脂和金屬類材質(zhì)。例如，硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂就是用來(lái)生產(chǎn)高強(qiáng)度體育器材的最為合適的材料之一。碳化硅纖維也是一種耐熱性突出的無(wú)機(jī)纖維材料，能夠承受上千度的高溫，再加上纖維材質(zhì)的高強(qiáng)度、高韌性的特質(zhì)，碳化硅纖維在一些抗沖擊要求高的體育器材中應(yīng)用廣泛。

2.2 高強(qiáng)高模合成纖維材料

在復(fù)雜的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之中，除了無(wú)機(jī)纖維材料之外，高強(qiáng)高模合成纖維是又一種的新興的纖維材料，高強(qiáng)高模合成纖維家族主要分為芳香族聚酰胺纖維、超高模量聚乙烯纖維和混雜纖維三種。

芳香族聚酰胺纖維主要的獲取方式是通過(guò)溶液法合成，除了一般纖維材料具備的優(yōu)點(diǎn)之外，芳香族聚酰胺纖維其彈性模量能夠達(dá)到玻璃纖維的兩倍，是一種技術(shù)含量很高的纖維材質(zhì)，生產(chǎn)價(jià)值和應(yīng)用的價(jià)值較高。

超高模量聚乙烯纖維最為突出的特點(diǎn)是其綜合機(jī)械性能相比于一般的纖維有顯著的提升，超高模量聚乙烯纖維的強(qiáng)度更高、韌性更好、穩(wěn)定性更高等，但是其生產(chǎn)加工要求比較高。

將兩種或兩種以上的纖維進(jìn)行混合而制備的材料就稱為混雜纖維，混雜纖維的特點(diǎn)是能夠兼具多種纖維的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)異?；祀s纖維的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是能夠通過(guò)混雜技術(shù)，使得混雜纖維具備獨(dú)特的性能，一方面是獲得單一的纖維種類無(wú)法具備的特性，另一方面也能通過(guò)低成本的纖維增強(qiáng)來(lái)降低材料整體的生產(chǎn)成本。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在雪上項(xiàng)目的應(yīng)用

近年來(lái)我國(guó)民眾對(duì)冰雪項(xiàng)目的熱愛(ài)程度越來(lái)越高，尤其是北京將在2022年舉辦冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)，更是將我國(guó)民眾對(duì)冰雪項(xiàng)目的熱愛(ài)程度提高，尤其是雪上項(xiàng)目，滑雪已經(jīng)成了人民冬季休閑度假的一個(gè)重要選擇之一。在滑雪這項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)中，滑雪板是最重要的體育器材，滑雪板的質(zhì)量關(guān)系到運(yùn)動(dòng)員和普通愛(ài)好者的生命安全。傳統(tǒng)滑雪板是木質(zhì)或者是金屬材質(zhì)。傳統(tǒng)木質(zhì)材料的滑雪板，質(zhì)量比較輕，并且價(jià)格也相對(duì)較低，但是這種木質(zhì)材料的滑雪板容易產(chǎn)生變形受潮等問(wèn)題，安全性能得不到保障。鋁合金制成的金屬滑雪板是質(zhì)量較為可靠的滑雪板，這一類滑雪板價(jià)格相對(duì)較高，但是由于這種鋁合金滑雪板對(duì)于使用場(chǎng)地就要求，因此它的適應(yīng)性較低。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的滑雪板，能夠綜合以上兩種材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，能夠使用于任何雪地場(chǎng)地，并且價(jià)格適中，性價(jià)比較高，這種滑雪板一般使用PU 或者PVC材料制成，這種材質(zhì)的滑雪板具有一定的彈性，并且伸屈性較強(qiáng)，能夠增強(qiáng)整體的滑板韌度，讓滑板具備一定的張力。

3.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在自行車項(xiàng)目的應(yīng)用

在我國(guó)提出全民健身的目標(biāo)之后，自行車除了可以滿足人們通勤上班的目的之外， 同時(shí)還有健身和競(jìng)賽等多種功能，因此人們對(duì)其性能的要求也變得越來(lái)越苛刻。傳統(tǒng)的自行車都是金屬制的車身，質(zhì)量較大，目前隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)大范圍應(yīng)用于自行車項(xiàng)目之中。目前專業(yè)的競(jìng)賽自行車的車架構(gòu)、車輪及座位支架等部位都是用碳纖維復(fù)合材料制作而成，既增加了自行車外觀的美感，也增加了車體的剛性，并使車體具備良好的減振性能；車體的輕質(zhì)性能也有效增加了騎車的舒適性。在這些特性下，由碳纖維復(fù)合材料制造的自行車被廣泛應(yīng)用于各大競(jìng)賽中［3］。

3.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高爾夫項(xiàng)目的應(yīng)用

二十世紀(jì)七十年代，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料第一次應(yīng)用在了高爾夫球桿之上［4-5］，替代了傳統(tǒng)的金屬制造的高爾夫球桿，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高爾夫球桿比傳統(tǒng)的球桿質(zhì)量稍微重，但是可以夠提升高爾夫出球的初速度，同時(shí)由于這種纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自由性較大，因此能夠充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的靈感，幫助提升了高爾夫球的飛行距離和飛行的穩(wěn)定，同時(shí)設(shè)計(jì)師對(duì)于球桿的質(zhì)量尺寸等各個(gè)方面進(jìn)行了改善，進(jìn)一步提升了高爾夫球桿的整體水平。目前這種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高爾夫球桿已經(jīng)被高水平運(yùn)動(dòng)員廣泛應(yīng)用。

4 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)闡述了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)，體育器材常用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的種類以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材之中的應(yīng)用實(shí)例。在我國(guó)現(xiàn)階段的體育器材市場(chǎng)中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)成為一種必不可少的重要材料。在未來(lái)體育器材的發(fā)展過(guò)程中，相信對(duì)于纖維復(fù)合材料的使用將會(huì)更加廣泛，這也要求相關(guān)的研究人員要不斷加強(qiáng)對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究與具體應(yīng)用，從而來(lái)滿足現(xiàn)代化的體育事業(yè)發(fā)展需要，使得我國(guó)的體育器材行業(yè)可以走在世界前列。