林金劍，崔樹(shù)陽(yáng)，張繼川，2*，陳百順，胥雪雙

（1.北京化工大學(xué) 先進(jìn)彈性體材料研究中心，北京 100029；2.北京化工大學(xué) 彈性體材料節(jié)能和資源化教育部工程研究中心，北京 100029；3.探路者控股集團(tuán)股份有限公司，北京 102200）

為了早日實(shí)現(xiàn)建設(shè)體育強(qiáng)國(guó)的奮斗目標(biāo)，促進(jìn)國(guó)民身體健康與身體素質(zhì)的提高，我國(guó)特別制訂了《全民健身計(jì)劃（2021—2025年）》[1]，而2022年北京冬奧會(huì)及冬殘奧會(huì)的舉辦更是讓全國(guó)人民鍛煉的熱情日益高漲。學(xué)校體育和大眾健身活動(dòng)內(nèi)容不斷增多，但人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)的同時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷的概率也在升高。

為防止或減輕運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)損傷，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)發(fā)出多種高性能的運(yùn)動(dòng)護(hù)具，但是在運(yùn)動(dòng)護(hù)具的設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程中存在難點(diǎn)，即測(cè)試運(yùn)動(dòng)護(hù)具的防護(hù)效果時(shí)不可以直接實(shí)施對(duì)人體造成損傷的臨床研究，只能通過(guò)其他間接手段檢驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)護(hù)具的設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)學(xué)科，例如材料學(xué)、人體工程學(xué)、沖擊損傷生物力學(xué)的交互[2-4]。隨著高新技術(shù)與體育運(yùn)動(dòng)結(jié)合的日益緊密，越來(lái)越多的科研人員認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)防護(hù)學(xué)的重要性，運(yùn)動(dòng)防護(hù)學(xué)的研究成果極大地促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[5]。

1 運(yùn)動(dòng)損傷類(lèi)型概述

全世界每年約有7 500萬(wàn)人遭受不同的運(yùn)動(dòng)傷害，而這些損傷大多發(fā)生于未穿戴防護(hù)裝備的運(yùn)動(dòng)者[6]。例如，人們進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)未穿戴防護(hù)裝備，相應(yīng)的關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能由于反復(fù)、頻繁的擠壓和伸展動(dòng)作而發(fā)生慢性損傷；強(qiáng)度不足的肌腱在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)由于外界沖擊導(dǎo)致急性拉傷或休克損傷[7]；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)作不規(guī)范或負(fù)荷超過(guò)機(jī)體承受上限可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)發(fā)生異常扭轉(zhuǎn)，使關(guān)節(jié)囊周?chē)蚋浇渌M織受損發(fā)生關(guān)節(jié)扭傷[8]。在運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷學(xué)中運(yùn)動(dòng)損傷可按照日常訓(xùn)練與運(yùn)動(dòng)技術(shù)之間的關(guān)系分為運(yùn)動(dòng)技術(shù)性損傷和非運(yùn)動(dòng)技術(shù)性損傷[9]。美國(guó)運(yùn)動(dòng)技術(shù)性損傷又劃分為運(yùn)動(dòng)相關(guān)性腦震蕩、前交叉韌帶損傷、關(guān)節(jié)松弛和過(guò)度使用性損傷4個(gè)方面[10]。

輕微的運(yùn)動(dòng)損傷會(huì)對(duì)皮膚、肌肉和骨骼等造成一定程度地傷害，而嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)損傷則會(huì)影響人們的日常生活和身心健康。為了防止運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生，一方面是進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的運(yùn)動(dòng)技巧訓(xùn)練，主動(dòng)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，提高安全運(yùn)動(dòng)意識(shí)，避免非運(yùn)動(dòng)技術(shù)性損傷；另一方面是針對(duì)危害性、隨機(jī)性、意外性較大的運(yùn)動(dòng)技術(shù)性損傷，合理地使用有針對(duì)性的運(yùn)動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品。

2 國(guó)內(nèi)外運(yùn)動(dòng)護(hù)具的研究現(xiàn)狀

運(yùn)動(dòng)護(hù)具是通過(guò)吸能材料吸收和分散外界作用力，保護(hù)人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉和關(guān)節(jié)等免受外來(lái)傷害，一般吸能材料需要與紡織材料復(fù)合以制作成防護(hù)用品和服裝等穿戴在人體上。

葉冬茂[11]提出運(yùn)動(dòng)護(hù)具主要是通過(guò)限制關(guān)節(jié)活動(dòng)度、降低皮膚摩擦力和吸收外部沖擊能量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體保護(hù)目的。運(yùn)動(dòng)護(hù)具不僅可以固定肌肉和韌帶等部位，作為運(yùn)動(dòng)時(shí)的輔助用品，減緩肌肉在運(yùn)動(dòng)中的過(guò)度拉扯；還可以強(qiáng)化關(guān)節(jié)支撐，以避免運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)不當(dāng)或瞬間壓力超過(guò)關(guān)節(jié)承受極限所帶來(lái)的嚴(yán)重傷害[7]。

運(yùn)動(dòng)護(hù)具的設(shè)計(jì)需要將多種因素，例如抗沖擊性能、質(zhì)量、整體性、重復(fù)使用性等綜合考慮。D.TYLER等[12]認(rèn)為運(yùn)動(dòng)護(hù)具設(shè)計(jì)的六大要素為：抗沖擊性能、靈活性、密度、厚度、透氣性、紡織縫合技術(shù)，見(jiàn)圖1。除了防護(hù)性能外，競(jìng)技體育中還要求運(yùn)動(dòng)護(hù)具不能完全限制關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，以避免技術(shù)動(dòng)作不能按標(biāo)準(zhǔn)完成[13]。由此可見(jiàn)，在運(yùn)動(dòng)護(hù)具的設(shè)計(jì)中，舒適性也需考慮在內(nèi)。一般可通過(guò)調(diào)整護(hù)具的尺寸、質(zhì)量、透氣性、散熱性能、貼合性、外觀等調(diào)節(jié)護(hù)具的舒適性[14]。

圖1 運(yùn)動(dòng)護(hù)具設(shè)計(jì)的要素Fig.1 Key factors of sports protective equipment design

2.1 不同部位運(yùn)動(dòng)護(hù)具的設(shè)計(jì)及研究進(jìn)展

在不同種類(lèi)的運(yùn)動(dòng)中，人體發(fā)生損傷的部位不同，所以運(yùn)動(dòng)護(hù)具具有多樣性。例如研究人員發(fā)現(xiàn)在冰雪運(yùn)動(dòng)中，頭部、肩部、膝蓋和脊柱是運(yùn)動(dòng)損傷最嚴(yán)重的部位[15]；足球運(yùn)動(dòng)中的損傷部位主要有踝關(guān)節(jié)、小腿脛骨和膝部韌帶[6]；排球運(yùn)動(dòng)中的損傷部位主要有膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和韌帶[16]。

因此，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的種類(lèi)和使用群體，選擇合適的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)護(hù)具，可更有效地實(shí)現(xiàn)護(hù)具的防護(hù)功能，抵御外界傷害[17]。根據(jù)保護(hù)部位和從事運(yùn)動(dòng)的不同，運(yùn)動(dòng)護(hù)具主要有2類(lèi)，頭盔類(lèi)和四肢防護(hù)用品類(lèi)，具體包括護(hù)頭、護(hù)腰、護(hù)踝、護(hù)腕、護(hù)膝，護(hù)肩和組合護(hù)具等，如圖2所示。

圖2 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)護(hù)具Fig.2 Common sports protective equipments

為設(shè)計(jì)綜合性能優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)護(hù)具，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用多種手段對(duì)身體不同部位的運(yùn)動(dòng)防護(hù)用品進(jìn)行了深入研究。

膝蓋承受著人體約70%的質(zhì)量，它起到承載、維持膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和吸收震蕩的作用，其是人體運(yùn)動(dòng)中容易受傷的部位之一[18]。張峻霞等[19]研究表明，佩戴護(hù)膝可略微限制膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，減少膝關(guān)節(jié)多余活動(dòng)量，同時(shí)護(hù)膝會(huì)減小膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩峰值和內(nèi)旋力矩峰值，在額狀面和矢狀面上對(duì)膝關(guān)節(jié)的保護(hù)效果較為顯著。翟文亮[20]研究表明，當(dāng)膝關(guān)節(jié)承受來(lái)自正面的沖擊時(shí)，交叉韌帶和外側(cè)副韌帶容易發(fā)生損傷，這將會(huì)大大降低膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)人體組織觀察和三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量確定了膝關(guān)節(jié)損傷的沖擊能量閾值為80～160 J。孫清風(fēng)等[21]開(kāi)發(fā)了一種具有微孔彈性體和慢回彈雙重性能的聚氨酯組合料（特種聚醚多元醇為聚氨酯的組成成分之一，1，4-丁二醇為聚氨酯的擴(kuò)鏈劑，改變二者用量可改變聚氨酯的結(jié)構(gòu)與性能）制備的護(hù)膝材料。結(jié)果表明：體系中添加70份特種聚醚多元醇時(shí)，護(hù)膝材料具有最佳的沖擊能量吸收性能，可吸收48.42%的沖擊能量；添加7份1，4-丁二醇時(shí)，護(hù)膝材料可吸收43.84%的沖擊能量。聚氨酯運(yùn)動(dòng)護(hù)膝材料解決了傳統(tǒng)厚氈材料制成的護(hù)膝抗沖擊性能與舒適性不可兼得的問(wèn)題，為避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)損傷提供了保障。

胸部位于人體正中，易受外界沖擊引起損傷，因此胸部的防護(hù)極其重要。范春滿[22]通過(guò)在受試者胸骨與肋骨處安置傳感器監(jiān)測(cè)胸壁運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)：可通過(guò)胸壁的粘性參數(shù)預(yù)測(cè)和評(píng)估胸部傷情，胸壁形變量和形變速度與損傷程度存在一定的相關(guān)性；當(dāng)撞擊速度低、形變量大時(shí)胸壁易發(fā)生擠壓型損傷，當(dāng)撞擊速度高、形變量小時(shí)胸壁易發(fā)生沖擊型損傷。在胸部碰撞部位配備能夠減小胸壁變形、延長(zhǎng)碰撞力作用時(shí)間的材料做成的護(hù)具，對(duì)于防止胸部受到損傷具有重要意義。毛瑞秋等[23]采用無(wú)毒無(wú)味、透明的硬塑料制備的女子拳擊護(hù)胸明顯降低了拳擊過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員胸部所受的打擊力，進(jìn)而減少運(yùn)動(dòng)損害。該護(hù)胸在2002年國(guó)家女子拳擊世界錦標(biāo)賽時(shí)被采用，極大地促進(jìn)中國(guó)女子拳擊運(yùn)動(dòng)不斷向健康方向發(fā)展。

足球作為第一運(yùn)動(dòng)，綠茵場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)員們面臨著多種可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷的因素，例如激烈的鏟球動(dòng)作對(duì)運(yùn)動(dòng)員的小腿有極大威脅，因此上場(chǎng)前佩戴護(hù)腿板是足球運(yùn)動(dòng)員約定成俗的規(guī)定之一。張勇等[24]將足球運(yùn)動(dòng)中人腿的受力模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，用鋼管模擬人腿，使用小球施加沖擊，將踢球過(guò)程中人腿的受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁鋼管受小球沖擊模型，以此探究不同厚度與種類(lèi)的護(hù)腿板的防護(hù)效果。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的沖擊載荷下，護(hù)腿板的厚度可顯著影響其防護(hù)效果，并且相對(duì)于竹片和含有塑料泡沫墊的護(hù)腿板，含有海綿墊的塑料護(hù)腿板對(duì)沖擊載荷吸收效果最好。

在滑雪運(yùn)動(dòng)中，佩戴運(yùn)動(dòng)護(hù)具是防止運(yùn)動(dòng)員受到標(biāo)桿撞傷等沖擊傷害最有效的方法。傳統(tǒng)橡膠護(hù)具存在著質(zhì)量大、透氣性差等缺點(diǎn)。曹楠楠等[25]使用熱風(fēng)模壓成型工藝，以熱熔粘合纖維和三維卷曲中空滌綸纖維為原料，制備了一種透氣性優(yōu)異的后背護(hù)具。其中，熱熔粘合纖維起到粘合效果，蓬松的三維卷曲中空纖維可使護(hù)具具有很好的緩沖防護(hù)效果。結(jié)果表明，護(hù)具質(zhì)量在400 g左右時(shí)兼顧較好的抗沖擊性能和透氣性，其透氣量為320 mm·s-1，相對(duì)于傳統(tǒng)的橡膠護(hù)具，該新型材料護(hù)具的透氣性和舒適性得到明顯改善。

在激烈的拳擊和搏擊運(yùn)動(dòng)中，口腔護(hù)具是運(yùn)動(dòng)員必備的重要護(hù)具?？谇蛔o(hù)具又稱(chēng)護(hù)齒套，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)將護(hù)齒套定義為放置在口腔中的彈性裝置[26]，其作用是減少人體牙齒和周?chē)M織結(jié)構(gòu)的損傷。B.WESTERMAN等[27]以乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）材料制備的護(hù)齒套為研究對(duì)象，對(duì)不同厚度護(hù)齒套的沖擊吸收性能和沖擊傳遞性能進(jìn)行擺錘沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明EVA護(hù)齒套的理想厚度為4 mm。

大腦是人體最重要的器官，所以頭部的保護(hù)是重中之重，頭盔作為頭部護(hù)具，其材料的力學(xué)性能需要足夠優(yōu)異。謝婉晨[28]運(yùn)用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型復(fù)合工藝一體成型了以環(huán)氧樹(shù)脂為基體、5層角連鎖芳綸纖維機(jī)織物為增強(qiáng)材料的三維復(fù)合材料，對(duì)其進(jìn)行拉伸、彎曲、抗沖擊測(cè)試。結(jié)果表明，材料的拉伸強(qiáng)度為508.0 MPa，抗沖擊強(qiáng)度為187.1 kJ·m-2，彎曲強(qiáng)度為1 489 MPa。這種強(qiáng)度高、抗沖擊的三維復(fù)合材料可用于頭盔殼體的制備。

2.2 新型高性能材料的運(yùn)動(dòng)護(hù)具

近年來(lái)，科研人員對(duì)于運(yùn)動(dòng)護(hù)具的研究不再局限于抗沖擊性能，護(hù)具的舒適性、材料的綠色化、防護(hù)的智能化同樣成為護(hù)具產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中不可忽視的一部分。高性能材料對(duì)制備多功能運(yùn)動(dòng)護(hù)具及其具備的優(yōu)異綜合性能起到?jīng)Q定性的作用。基于該理念，國(guó)內(nèi)外對(duì)高性能材料在運(yùn)動(dòng)護(hù)具中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。

美國(guó)道康寧公司開(kāi)發(fā)一種具有積極防護(hù)系統(tǒng)的紡織品[29]，該紡織品通過(guò)將硅樹(shù)脂注入三維紡織品中，利用硅樹(shù)脂的膨脹特性，在普通狀態(tài)下柔軟且富有彈性，而一旦受到高能量沖擊，其立即轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬固體，將沖擊能量吸收并快速分散。該紡織品的載體通常是由滌綸纖維制備，表面構(gòu)造為菱形，厚度約為4.5 mm，而該紡織品主要由硅樹(shù)脂提供防護(hù)功能，其具有良好的熱穩(wěn)定性，在－40～80 ℃之間具有良好的防護(hù)性能。與采用普通硬塑料制作的摩托車(chē)防護(hù)服相比，采用該紡織品制作的摩托車(chē)防護(hù)服具有優(yōu)良的透氣性、彈性和耐洗滌性等，且其抗沖擊強(qiáng)度比歐洲最優(yōu)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)高40%。

1999年，英國(guó)工程師理查德·帕爾默發(fā)明了D3O材料[30]，此后英國(guó)赫特福德郡大學(xué)創(chuàng)新中心的研究者和D3O Lab公司合作研發(fā)了一種基于D3O材料的智能防護(hù)服。D3O材料本質(zhì)是一種以聚硼二甲基硅氧烷（PBDMS）為膨脹劑的閉孔聚氨酯泡沫復(fù)合材料，而PBDMS是一種非牛頓流體，在原始狀態(tài)下可以自由流動(dòng)，但是受到外界沖擊時(shí)分子間立刻發(fā)生互鎖，將沖擊能量以熱量的形式吸收和分散，材料隨后回復(fù)到半流體狀態(tài)，完成循環(huán)。由于PBDMS分散在泡沫基體中，使得D3O材料對(duì)速率敏感，從而在特定能量水平下比普通聚氨酯材料消耗更多的能量，達(dá)到防護(hù)效果。D3O材料以PBDMS含量為15%～35%和聚氨酯發(fā)泡率為40%～70%為最佳。D3O材料制作的防護(hù)服在受到撞擊時(shí)會(huì)迅速變硬以抵抗沖擊，并且外部沖擊越大，變化越迅速；在不受力狀態(tài)下則輕而軟，這是由于材料內(nèi)部PBDMS的孤立分子在受到外部碰撞或擠壓時(shí)，迅速相互鎖定而收緊硬化。D3O材料自從開(kāi)發(fā)起就憑其優(yōu)異的防護(hù)性能和寬松的使用條件而備受關(guān)注，最早在2006年的都靈冬奧會(huì)，美國(guó)和加拿大滑雪隊(duì)就穿著該材料制成的防護(hù)服[31]。D3O材料的使用溫度范圍為－4～122℃，超溫使用時(shí)其使用壽命會(huì)受影響，且PBDMS的分子互鎖超過(guò)10萬(wàn)次極限后，也會(huì)使D3O材料喪失優(yōu)異的防護(hù)性能。

近年來(lái)，中國(guó)自主研發(fā)的P4U材料也備受關(guān)注[32]，P4U材料與D3O材料都是基于剪切增稠原理的一種非牛頓流體，P4U材料的特性如同人體的肌肉會(huì)對(duì)不同力度的沖擊作出不同的反應(yīng)，在常態(tài)下柔軟且具有彈性，一旦遭受外界碰撞或沖擊時(shí)材料就會(huì)因分子間發(fā)生互鎖而迅速變硬；外力消失后，材料又恢復(fù)到松弛狀態(tài)。因此，P4U材料特別適合用于制作足球、籃球和特技等運(yùn)動(dòng)的護(hù)具。

聚氨酯丙烯酸酯（PUA）分子中含有丙烯酸官能團(tuán)和氨基甲酸酯官能團(tuán)，其具有聚氨酯的高耐磨性能、高拉伸強(qiáng)度和耐低溫性能，同時(shí)還具有聚丙烯酸的光學(xué)性能和耐候性能，其在膠粘劑或者涂料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。E.C.CLOUGH等[33]以PUA為原料制作運(yùn)動(dòng)護(hù)具，研究PUA的微觀結(jié)構(gòu)與材料的防護(hù)性能之間的關(guān)系，并應(yīng)用增材技術(shù)制造基于微點(diǎn)陣網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)護(hù)具（頭盔）。相較于現(xiàn)有的發(fā)泡材料運(yùn)動(dòng)護(hù)具，采用PUA材料制作的運(yùn)動(dòng)護(hù)具具有更好的透氣性和更高的抗壓強(qiáng)度，沖擊能量吸收效率也大大提高；此外，應(yīng)用增材技術(shù)制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜且規(guī)整的防護(hù)產(chǎn)品也是PUA材料的優(yōu)勢(shì)所在。

杜仲膠作為綠色可再生高分子材料，具有優(yōu)異的加工性能和力學(xué)性能，它是天然橡膠的同分異構(gòu)體。杜仲膠大分子鏈有3個(gè)特點(diǎn)：柔性、含雙鍵和反式結(jié)構(gòu)，柔性鏈?zhǔn)潜ＷC杜仲膠彈性的基礎(chǔ)；雙鍵可以實(shí)現(xiàn)杜仲膠硫化；反式結(jié)構(gòu)的有序性使杜仲膠容易結(jié)晶[34]。

張繼川[35]深入研究了杜仲膠硫化的可行性，發(fā)現(xiàn)杜仲膠的結(jié)晶性與交聯(lián)程度可反映硫化過(guò)程不同階段其性能的突變，并提出杜仲膠具有橡塑二重性，因此杜仲膠具有形狀記憶特性。運(yùn)動(dòng)護(hù)通常為大眾化生產(chǎn)，但其可能并不適合于每位使用者；而單獨(dú)定制運(yùn)動(dòng)護(hù)具價(jià)格高昂，不適合普通消費(fèi)者。杜仲膠的形狀記憶特點(diǎn)使其在制作個(gè)性化運(yùn)動(dòng)護(hù)具以及個(gè)性化殘疾人運(yùn)動(dòng)器械方面展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景，杜仲膠復(fù)合材料的研發(fā)大大拓展了杜仲膠在運(yùn)動(dòng)護(hù)具領(lǐng)域的應(yīng)用。

夏琳等[36]制備了改性杜仲膠/聚乳酸熱塑性彈性體，該熱塑性彈性體采用過(guò)氧化物作為交聯(lián)劑，同時(shí)引發(fā)杜仲膠的交聯(lián)和杜仲膠與聚乳酸的接枝，形成兩相交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與常規(guī)的海-島結(jié)構(gòu)材料相比，該熱塑性彈性體不僅具有形狀記憶特性，而且具有良好的韌性。謝美然等[37]將杜仲膠溶解在低極性溶劑中得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%的杜仲膠溶液，然后通過(guò)濕紡、電紡等工藝成纖，得到直徑為10～100 μm的杜仲膠彈性纖維，其強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率分別為0.3～0.5 cN·dtex-1和300%～700%。杜仲膠纖維作為彈性纖維，可廣泛的應(yīng)用于高彈力運(yùn)動(dòng)護(hù)具領(lǐng)域。

3 運(yùn)動(dòng)護(hù)具防護(hù)材料的性能檢測(cè)方法

3.1 針對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊的防護(hù)性能

材料的抗高速和高能動(dòng)態(tài)沖擊性能的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)是通過(guò)擺錘式或落球式?jīng)_擊試驗(yàn)完成的[38]，用擺錘或落球的回彈程度表示吸收沖擊能量的大小，回彈程度越大，說(shuō)明吸收沖擊能量越小。該評(píng)價(jià)方法用傳感器記錄材料受擺錘或落球的沖擊及力學(xué)響應(yīng)值（例如速度、位移、加速度等），可直觀和定量描述材料的抗沖擊能力。

T.TAKEDA等[39]采用擺錘沖擊裝置測(cè)定沖擊物體在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的沖擊力，以探究沖擊物體的速度、質(zhì)量和彈性與運(yùn)動(dòng)護(hù)具防護(hù)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在試樣無(wú)防護(hù)的條件下，鐵球質(zhì)量為172.5 g，其造成的沖擊力為47 19.7 N，冰球質(zhì)量為164.9 g，其造成的沖擊力為459.6 N；在試樣增添厚度為3 mm的EVA材料防護(hù)下，鐵球和冰球所造成的沖擊力分別降低為1 788.5和432.2 N ，可進(jìn)一步計(jì)算得出鐵球和冰球沖擊下EVA運(yùn)動(dòng)護(hù)具材料的沖擊能量吸收效率分別為62.1%和6.0%。相同的運(yùn)動(dòng)護(hù)具對(duì)不同沖擊物體的沖擊能量吸收效率的不同，這表明不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目需選擇合適的運(yùn)動(dòng)護(hù)具。B.WESTERMAN等[40]采用擺錘沖擊裝置測(cè)定EVA發(fā)泡材料（護(hù)齒材料）的抗沖擊性能。對(duì)厚度為4 mm和發(fā)泡劑用量分別為0，1%，5%和10%的EVA發(fā)泡材料表面施加4.4 J的沖擊能量，其造成的沖擊力分別為4.04，4.12，4.08和3.88 kN，這表明小幅增大發(fā)泡劑用量會(huì)提高EVA發(fā)泡材料的抗沖擊性能，但是提升效果并不顯著。

魏俊等[41]利用落錘裝置對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行低速低能的沖擊試驗(yàn)，落錘與傳感器直接連接以獲取落錘的速度信息。在落錘質(zhì)量為3.6 kg、沖擊能量為8 J的條件下，記錄落錘的速度隨時(shí)間變化的曲線，并用落錘的瞬時(shí)最大沖擊速度和瞬時(shí)最大反彈速度計(jì)算沖擊能量和能量吸收效率，沖擊過(guò)程中能量的消耗可作為評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)護(hù)具材料的性能指標(biāo)。包世婕等[42]利用落錘裝置研究護(hù)齒膜片的能量吸收能力，試驗(yàn)裝置采用233 g的半球狀沖擊壓頭從不同高度沖擊護(hù)齒膜片，使用高速相機(jī)采集壓頭落下、壓入和回彈的圖像，經(jīng)軟件處理后獲得沖擊壓頭的入射速度、入射深度及回彈高度。結(jié)果表明，沖擊壓頭下落的高度越大，在沖擊過(guò)程中護(hù)齒膜片的能量吸收比越大，并且3 mm厚的軟硬結(jié)合護(hù)齒套的防護(hù)性能較佳，可將其應(yīng)用于正式比賽場(chǎng)合，同時(shí)具有輕薄舒適的優(yōu)勢(shì)。

D.TYLER等[12]采用落球沖擊試驗(yàn)評(píng)價(jià)市售運(yùn)動(dòng)防護(hù)服的抗沖擊能力。將直徑為5 cm的鋼球在距被測(cè)試樣1 m高處自由落下，以5 J的沖擊能量撞擊厚度為3 mm的Poron XRD面料防護(hù)服時(shí)，鋼球造成的沖擊力為12.7 kN；將防護(hù)服的厚度調(diào)整為7.5 mm時(shí)，鋼球造成的沖擊力明顯減小至6.0 kN。歐洲EN 1621-1是基于落球法測(cè)量運(yùn)動(dòng)護(hù)具的沖擊力峰值[43]，其定義了2個(gè)沖擊防護(hù)等級(jí)：在受到50 J的落球沖擊能量撞擊后，若運(yùn)動(dòng)護(hù)具的沖擊力平均峰值小于9 kN，沖擊力最大峰值小于12 kN，則其為最高保護(hù)等級(jí)二級(jí)；若運(yùn)動(dòng)護(hù)具的沖擊力平均峰值小于18 kN，沖擊力最大峰值小于24 kN，則其為最低保護(hù)等級(jí)一級(jí)。EN 1621-1最初是針對(duì)摩托車(chē)駕駛員運(yùn)動(dòng)護(hù)具制定的，但現(xiàn)在其廣泛應(yīng)用于多種運(yùn)動(dòng)護(hù)具的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)中。

3.2 針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)動(dòng)力學(xué)的防護(hù)性能

無(wú)論是擺錘式還是落球式?jīng)_擊試驗(yàn)檢驗(yàn)方法，在運(yùn)動(dòng)護(hù)具開(kāi)發(fā)前期和后期評(píng)價(jià)中都廣泛應(yīng)用，能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)護(hù)具提供抗沖擊性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。沖擊試驗(yàn)的測(cè)試條件多變，靈活性較大，試驗(yàn)中的壓頭形狀、壓頭尺寸、沖擊速度等都可根據(jù)測(cè)試需求而改變。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，針對(duì)運(yùn)動(dòng)護(hù)具的防護(hù)性能不同，國(guó)內(nèi)外研究者采取不同的評(píng)價(jià)方法[44-45]。

H.L.FAN等[46]采用力-位移曲線研究圓形結(jié)構(gòu)、方形結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、海綿結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)織物復(fù)合材料的能量吸收能力。結(jié)果表明，在壓縮速度為5 mm·min-1下，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)織物復(fù)合材料的能量吸收最大，并且比同密度的聚氨酯泡沫材料還大，因此可用于自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員頭盔的制作。S.W.LAM等[47]探究在準(zhǔn)靜壓條件下，多種熱塑性泡沫塑料紡織復(fù)合材料的能量吸收能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著聚丙烯發(fā)泡材料的泡孔孔壁厚度從1.15 mm減小至0.8 mm時(shí)，能量吸收效率降低34%；非針織復(fù)合材料相比于針織復(fù)合材料具有更高的能量吸收能力、更低的成本和更好的加工使用條件。

頭盔殼體的主要作用是將外部沖擊力分散在殼體表面，起到吸收能量和減少頭部集中沖擊。頭盔殼體的材料主要為聚合物泡沫制成的襯墊，泡沫的密度會(huì)很大程度影響其使用性能和體感，泡沫的密度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響頭盔的保護(hù)性能。L.RADZISZEWSKI等[48]對(duì)聚乙烯泡沫材料進(jìn)行加載應(yīng)力試驗(yàn)，結(jié)果表明泡沫材料的彈性模量隨著應(yīng)力加載次數(shù)的增大而逐漸減小，能量吸收密度與應(yīng)變的關(guān)系逐漸趨于線性函數(shù)，這表明泡沫材料每次被應(yīng)力加載后都會(huì)產(chǎn)生不可逆的損傷，造成能量吸收能力下降。沖擊能量吸收能力也可采用Janssen系數(shù)進(jìn)行比較，該系數(shù)可通過(guò)壓頭在相同沖擊能量下在試驗(yàn)材料中產(chǎn)生的最大加速度與在標(biāo)準(zhǔn)材料中產(chǎn)生的最大加速度的比值確定。

I.K.HWANG等[49]通過(guò)在護(hù)腕背部安裝微型加速度傳感器采集人體手腕受到?jīng)_擊時(shí)加速度隨時(shí)間的變化，采集數(shù)據(jù)后對(duì)加速度分布曲線積分計(jì)算得到?jīng)_擊速度，再對(duì)速度分布曲線積分計(jì)算得到?jīng)_擊位移，護(hù)腕的沖擊能量吸收效率則為沖擊力-沖擊位移曲線積分和沖擊力-沖擊力峰值曲線積分的比值。結(jié)果表明，在護(hù)腕內(nèi)側(cè)覆蓋PVC材質(zhì)的氣墊能大大提高沖擊能量吸收效率。定茜[50]改進(jìn)了分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置分別對(duì)兩種密度的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料進(jìn)行能量吸收效率測(cè)試，得到兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果表明材料的密度和應(yīng)變對(duì)強(qiáng)度有著明顯影響，但是密度對(duì)能量吸收效率影響不大。

3.3 其他防護(hù)性能檢測(cè)方法

除試驗(yàn)評(píng)價(jià)外，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行有限元分析也是評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)護(hù)具防護(hù)性能的重要方法，其優(yōu)勢(shì)在于快速、便捷，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)運(yùn)動(dòng)護(hù)具的實(shí)際應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。I.ZAMAN等[51]采用ANSYS軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)護(hù)齒套的防護(hù)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，若運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)速度為4.43 m·s-1時(shí)，佩戴厚度為3 mm的護(hù)齒套，口腔內(nèi)外壓力差為140.09 Pa，佩戴厚度為5.9 mm護(hù)齒套，口腔內(nèi)外壓力差會(huì)達(dá)到401.86 Pa，這說(shuō)明通過(guò)增大護(hù)齒套厚度可提高其防護(hù)性能，但厚度增大也會(huì)加大口腔內(nèi)外壓力差，使得氣流分布不均勻，降低佩戴舒適性。S.SRIDHARAN等[52]按照文獻(xiàn)報(bào)道的人體皮膚與肌肉的真實(shí)參數(shù)組合建模，以分析板球運(yùn)動(dòng)護(hù)具所用的一種典型夾層結(jié)構(gòu)泡沫材料的沖擊能量吸收能力，測(cè)定各層材料厚度與沖擊能量吸收比之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，板球的沖擊速度為45 m·s-1時(shí)，聚碳酸酯外層、EVA泡沫中層和聚碳酸酯內(nèi)層的最佳厚度分別為4，8，3 mm，皮膚受到的最大沖擊力為3 538.98 N，材料的最大沖擊吸收能量是7.2 J·kg-1。

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析是一種低應(yīng)變技術(shù)，可用于研究聚合物材料的粘彈性，突出溫度和頻率對(duì)材料力學(xué)性能的影響，并且損耗因子可體現(xiàn)材料的阻尼性能，一般材料的阻尼性能好，其受沖擊時(shí)能耗大，減震吸收能量效果明顯，因此可用動(dòng)態(tài)力學(xué)性能來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)護(hù)具的防護(hù)性能[53-54]。李茂輝等[55]采用動(dòng)態(tài)壓縮模式模擬周期性壓力對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，以探究幾種低密度聚氨酯泡沫材料在微小交變應(yīng)力下的防護(hù)機(jī)理。M.NICOTRA[15]也采用動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析研究后背運(yùn)動(dòng)護(hù)具材料的防護(hù)性能。結(jié)果表明：測(cè)試頻率1 Hz增大至50 Hz時(shí)，泡沫軟殼護(hù)具材料的損耗因子和儲(chǔ)能模量都明顯減小，推測(cè)為泡沫軟殼護(hù)具材料在低速?zèng)_擊下具有較好的阻尼性能，吸收能量較多；在高速?zèng)_擊下泡沫軟殼護(hù)具材料宏觀表現(xiàn)為剛性，吸收能量較少，同時(shí)也證實(shí)熱塑性聚烯烴硬殼護(hù)具材料的損耗因子明顯低于泡沫軟殼護(hù)具材料。

4 結(jié)語(yǔ)

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為防止出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷而采用合適的運(yùn)動(dòng)護(hù)具是十分必要的。各種新型護(hù)具材料的出現(xiàn)大大拓展了運(yùn)動(dòng)護(hù)具的種類(lèi)和提高了運(yùn)動(dòng)護(hù)具的性能，人們因運(yùn)動(dòng)受損傷的概率降低。同時(shí)隨著運(yùn)動(dòng)護(hù)具市場(chǎng)的不斷擴(kuò)張，針對(duì)運(yùn)動(dòng)護(hù)具的防護(hù)性能評(píng)價(jià)越來(lái)越重要，而不同種類(lèi)的運(yùn)動(dòng)護(hù)具需采取不同的測(cè)試評(píng)價(jià)方法，這些方法對(duì)于運(yùn)動(dòng)護(hù)具的研發(fā)起到了積極作用，相應(yīng)的研究成果也極大地促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)護(hù)具的發(fā)展。