复合材料在体育方面的应用

复合材料有助于改善所有类型的体育运动器材性能及轻量化的需要。

近年来，复合材料在比赛用自行车、各种球棒、攀登墙材等方面的开发应用取得了新的进展。

1).碳纤维复合材料比赛用自行车研发
IVW是于1990年在德国Kaiserslautem市技术大学校园内成立的一个非赢利性质的复合材料研究院。

该院的研究计划及资金来源，由公共基金代理部门支付承担，或者由工业部门直接拨款。

开发技术是与其他高校各学科共同合作为基础。

研究计划的活动覆盖整个研发的一个周期，即从科研组合到产品性能和应用。

这里介绍的是IVW研究院“工业”计划内容之一，碳纤维复合材料比赛用自行车的研发。

这种比赛自行车名称为碳F10。

它是由该研究院与位于德国Koblenz市的Canyon Bicycles GmbH共同进行研发的,所制造的自行车架(包括前叉在内，重量恰好为1.26kg)，首次使刚度与质量比超过100(STW系数)。

尽管详细的规格尺寸尚未提供，但该研究院提供两个设计范畴，就是提供车架很高的刚度与质量比。

首先是车座支柱向下管子外形。

近来，碳纤维自行车架倾向于采用圆形或椭圆形两者中任何一种横断面，新近改成气动。

由于碳F10在它的车支柱部位向下管子的外形是圆形，并逐渐改变为矩形横断面。

IVW研究院之所以坚持这种设计研究，据说可使底部托架的刚度比使用标准圆形横断面管子的刚度增加20％。

特别是底部托架是承担高载荷区，原因是在此处连接着脚蹬子。

另一个范畴是碳F10车架的唯一形状是前叉喇叭状向下管子。

选择这种外形，据说比使用恒定不变直径的圆柱形管，能承受更大的载荷。

这样的设计结果，提高了车架的弯曲刚度，并减轻了质量。

最近，一个欧洲主要的自行车杂志刊登了该自行车的一系列对比试验，对碳F10比赛自行车进行评比，采用90点的计分方法，碳F10获75点，它比最新式其他竞争自行车赛车领先l1点。

由于碳F10的车架试制成功，Canyon公司宣告，它将与IVW研究院共同开始研发新的比赛自行车架，制造一种山地自行车。

2).一种新原理赛艇
世界赛艇比赛前冠军、挪威的Einar Resmussen研发新型的持有潜在刺激原理的水叶赛艇。

虽然该赛艇尚没在商业上使用，但在国际赛艇赛船人会上(在德国的Duisburg举行)用“水叶原理船”的原型进行演示过，结果表明它适合于Flyak船的第一个模式。

据说，船的轻质和坚固是衡量最明显的关键性能。

因此，Flyak船的研究小组采用环氧树脂、碳纤维层压板及DIAB 公司的夹层材制造。

Einar认为Flyak要比传统的赛艇持有速度快得多和稳定得多的潜力。

事实上，他坚信Flyak赛艇的使用性能能够在奥林匹克运动会2000m的8人艇比赛中领先。

3).一体成型的冰球棒
位于瑞士的Busch SA复合材料公司，是当今惟一能生产一体成型复合材料冰球棒的单位。

该公司之所以提倡一体成型加工，在棒的耐久性及参赛性能方面，明显优于由两片胶合在一起(叶子和棒)所制造的冰球棒。

使用一体加工成型冰球棒用户主张，一体化棒结构均匀、连续，没有叶子和棒之间的物理破裂，可提供较好的平衡感和使用感。

据说，该公司于l992年首次制造复合材料冰球棒，其耐久性较好，可替代木质冰球棒，在此之后，就在体育项目普遍使用。

这种棒由于棒和叶子分开，加工较容易，可是该公司坚信，一体化成型加工的整体棒，其结构足恰当的，避免了连接处出现破裂的弱点。

这次开发的一体化成型加工的冰球棒，是拥有专利权的产品技术，包括在不同密度的泡沫塑料之上面，采用碳纤维、玻璃纤维及芳纶等的铺层，其后采用RTM方法灌注树脂。

这种制造的结果，要比木质冰球棒的耐久性高7倍，而且还能有很好的震动吸收性(因使用泡沫塑料芯材)以及快速能量释放性(因采用碳纤维)。

目前，世界上9O％以上的冰球专业比赛，大都使用复合材料冰球棒。

4).救援用复合材料扩展器
TSL救援队和它的伙伴Comitech与Saint—Gobain Vetrotex公司共同合作研发救援用复合
材料扩展器。

这种可免费邮寄的高山救援复合材料扩展器，荣获2005年JEC复合材料的创新奖。

该扩展器是采用真空成型法，由两种热塑性复合材料制造的。

该项目可追溯到2001年，当时高山警察局(PGHM)、Chamoniarde安全部门及Valdotain阿尔卑斯山救援队，指望采用新开发的这种扩展器代替已经超过服务20a多的旧的扩展器，即采用更现代化的复合材料制的扩展器更新。

据说，这种新型扩展器的关键性特征是质量轻、刚性好，使用时被救人员舒适(与20a以上旧的金属制扩展器相比)，将用它替换旧的金属制的扩展器。

这种新型扩展器容易搬运和安装卸拆，能在救援现场很快拆装。

对扩展器经过几种性能试验之后，期待新的扩展器在2005年年底由法国和意大利的高山救援队使用。

5).复合材料制攀登墙
DJP Espace复合材料公司开发出复合材料制攀登墙，并确信，它是目前可移动的最大复合材料攀登墙，经测定墙高8m，墙宽6m，质量仅为450kg，能很容易用拖车从一个地方搬运到另一个地方。

该攀登墙由l0块模型构件夹层复合材料板(每块板2X9m)构成，装进一个活动的铝空架上。

安装组合全部为自动操作。

货到现场，采用l台电动操纵液压泵，控制2个活塞，把板材“打开”，从拖车卸下到建造成攀登墙都自动操作。

DJP公司评价，在l小时之内能够很容易攀登到墙上，并且把攀登墙移到一个新地方，调转方向操作也很简单。

以前垂直墙提供3条攀登“途径”，每条“途径”难度等级不同。

提供附加“途径”的每块面板，在垂直壁面上能以90度改变。

虽然面板被装进一个铝架上，它是提供必须的强度和刚度加工装配的复合材料板。

每块面板生产制造过程，是由DJP公司专门为开发应用此产品而制定的。

先采用手工铺层法将玻璃纤维和环氧树脂制成有手、脚轮廓特征的蒙皮，然后在其内灌入聚氨酯泡沫塑料加工成面板，这种面板是轻质的(50kg)、耐久性好和刚性好，当运动员攀登时，不因体重踩蹬而挠曲。

链接--国内外体育设施和运动器械应用塑料现状
塑料及复合材料以其特殊的性能，如密度小、易成型、价格便宜(某些先进复合材料除外)、比强度和比模量高等而逐渐地在体育设施和运动器械方面得到广泛运用，以代替金属、树木等。

比如摩托、帆板、跳水等项目。

器械必须非常可靠，以最大限度地减少伤害的可能性。

塑料制品的质量已可以同金属制品的质量相媲美。

现在，溜冰鞋的轮子已采用耐摩擦和耐磨损的PUR制造；网球拍的骨架已采用GF、CF、芳纶纤维或陶瓷纤维增强的树脂制造；滑雪棒已采用层压的复合材料制造；划桨、吊伞索、高尔夫球、曲棍球棒等也有类似的情况。

这些运动器械不但质轻，而且承力方向的强度很高、性能理想。

如性能要求比较高的赛艇的帆，现采用复合材料的结构形式：将芳纶纤维织物或定向超高分于量聚乙烯纤维层压在聚酯薄膜上，因此帆虽然很轻，但强度根高，没有蠕变问题；现在职业棒球球员和自行车运动员的头盔面罩是用Pc制成的。

塑料及复合材料在体育设施和运动器械领域已形成了较大的市场，美国的体育和健身器材的销售额1990年已超过了20亿美元，生产制造体育和建身器械的公司到1990年已达到了2500家，1994年全世界运动器材的复合材料消耗量约24000t，其中滑雪板、挡雪板为6000t(占1/4)，滑雪鞋、挡雪板为1800t，高尔夫球棒为9500t。

自行车辐条和车架、旱冰滚动滑板增长也很快。

1997年全世界运动器材中复合材料消耗量为5万t，（占25％），2000年全世界高尔夫球棒的CF消耗量达2000t,超过宇航业的CF消耗量。

总之，运动器材，特别是挡雪板、旱冰滚动滑板、山地自行车的快速发展促进了塑料及符合材料在体育设施及运动器材领域的应用.
纤维增强复合材料在体育器材上的应用
字体大小：大 - 中 - 小gqgmzhang发表于 08-08-21 12:17 阅读(1146) 评论(0)分类：
随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，越来越多的现代人走进各类运动场所放松身心，而现代竞技体育的发展在要求体育专家讲求科学训练的同时，还要重视对体育器材的改进与研制。

由于纤维增强复合材料具有重量轻、强度高、可设计自由度大、易加工成型等特点，在体育器材方面获得了广泛的应用。

2 纤维增强复合材料应用到体育器材中的优势
众所周知，在纤维增强复合材料未问世之前，用作体育器材的材料主要是木材、钢材、不锈钢、铝合金等。

与这些材料相比，纤维增强复合材料在以下方面具有明显优势：
2．1 质轻
多数体育器材是靠人力来使其运动，因此要求器材越轻越好，如网球拍、高尔夫球杆、自行车、滑雪板等。

纤维增强复合材料在此方面具有不可比拟的优势。

例如由碳纤维增强材料制成的高尔夫球杆，采用碳纤维布卷带成型法，其力学性能较金属杆提高了许多，而重量却比金属杆轻3O%～5O%。

2．2 力学性能好
体育器材要有良好的可用性能必须具有优良的力学性能。

纤维增强复合材料具有突出的比强度、比模量和比弹性模量，更适合于用作体育器材。

复合材料具有良好的阻尼减震性能也是其适合作为体育器材原料的原因之一。

2．3 可设计性强
复合材料成型技术的发展使得其设计自由度较传统材料大大增强，各种产品总能找到相应的成型方法，因而，可根据选手本身的不同情况分别加以设计，而且维修方便，费用较低。

2．4 其他方面
在体育器材的开发过程中，环保及性价比也是必须考虑的问题。

复合材料在使用过程中不会散发有害气体，而热塑性复合材料一般可以回收使用，同时，生产复合材料的原材料价格一般比较低，加工成本低廉，利于产品的普及和推广。

3 增强用纤维材料及织物结构
增强用纤维材料主要包括普通玻璃纤维、碳纤维、合成纤维等。

这些纤维材料可以加工成纱、布、带、毡、短切原丝等形态使用。

3．1 无机纤维
3．1．1 玻璃纤维
玻璃纤维具有吸湿性小、尺寸稳定、耐热性、耐老化性、耐化学性和阻燃性好、弹性模量大、拉伸强度大、伸长率低等优点。

玻璃纤维增强复合材料是一种开发较早、应用较广的复合材料，其拉伸、弯曲、冲击强度及刚度都较大。

3．1．2 碳纤维
碳纤维具有较高的强度与模量，但与树脂的润湿性、粘附性较差，在制备复合材料前，需对纤维进行表面活化处理。

碳纤维增强复合材料是一种强度、刚度、耐热性均较好的复合材料。

3．1．3 硼纤维
硼纤维是一种高强高模纤维，可用来增强树脂和金属。

硼纤维增强环氧树脂复合材料是高强高模纤维增强塑料中性能最好的一种复合材料。

3．1．4 碳化硅纤维
碳化硅纤维拉伸强度大，模量高，耐热性好，可耐1250℃的高温，相容性好。

碳化硅纤维树脂基复合材料的抗压、抗冲击强度及耐磨性优于碳纤维增强树脂。

3．2 高强高模合成纤维
3．2．1 芳香族聚酰胺纤维
该纤维最大特点是低密度、高强度、高模量、耐高温，与树脂粘结性好。

它所增强的复合材料的拉伸强度优于玻璃纤维和碳纤维增强材料，弹性模量是玻璃纤维增强材料的2倍，但低于碳纤维增强材料。

3．2．2 超高模量聚乙烯纤维
该纤维具有极高的强度，化学稳定性、生物适应性好，密度低，但在用于复合材料时受粘着性差的限制，必须经过等离子体烧蚀、辐射诱导接枝等不同方法的表面改性处理。

3．2．3 混杂纤维
混杂纤维增强指两种短纤维混杂或两种长丝单向增强，也可以是两种不同纤维组成的包芯复合纱作增强材料，然后再与一种树脂基体复合。

混杂纤维增强复合材料除了单一纤维特点外，还有一些特殊的性能，可满足不同的应用需要。

3．3 增强用织物结构
纤维增强复合材料的增强相除了采用分散装的短纤维或长丝束，还可以是通过织物成型方法制成的绳、带、毡及各种不同的织物结构，即预成型件，它没有分散状纤维的无缠结、剪切效应等缺陷，这种预成型件可以根据复合材料最终产品_的需要，制成不同的结构和不同的形状，如机织物、针织物、编织物、非织造织物、多层织物、三维织物等结构，采用这些形式的纺织结构材料作增强相，不必机械加工，一次成型便可制成工字梁、I 型梁、十字梁、锥形、螺旋状等异形结构件。

4纤维增强复合材料在体育器材上的应用
4．1 滑雪板
滑雪运动中，滑雪板的质量关系到运动员的生命安全和运动成绩，而滑雪板的结构和材料比较复杂。

一般滑雪板有木质、金属和纤维复合材料(一般为玻璃纤维)之分。

木质的轻而价格便宜，但易受潮变形。

铝合金制金属滑雪板价格较高，对雪地的要求高，适应性差。

纤维复合材料滑雪板适合任何雪质的雪地，且维护方便。

目前市面上性能优异的滑雪板一般是以夹芯复合材料制成的。

这种滑雪板的芯材是由木材或PU、PVC等制成，滑雪板的弹性正是来源于此；碳化纤维位于芯层上部，可加强滑雪板屈伸度；玻璃纤维置于芯层上方，能起到一定的连接作用，可连接面板和芯层，增加滑板的韧度，也能够让滑板更有力度。

4．2 高尔夫球杆
1972年美国Shakespear公司用长丝缠绕法制成高尔夫球杆，同年，美国的G．Brewer采用CFRP(碳纤维增强复合材料)制成球杆，此后，为了适应球的飞行距离和方向稳定性要求，在重量、尺寸和负荷等方面加以改善。

现在高档的高尔夫球杆，采用碳纤维复合材料，密度小，强度高，弹性高，耐冲击，使高尔夫球杆变得可多次重复使用，而且也使运动员可充分发挥挥杆打球的力量和技术。

4．3 自行车
20世纪80年代中期，意大利、法国、英国和美国相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行车。

其车架重量较铬钼钢车架轻，强度、刚度却比铬钼钢车架高，因此一经研制成功，便被用作专门的比赛用车。

曾获得男子自行车公路赛冠军的德国著名车手乌尔里希的“坐骑”就是用碳纤维增强复合材料作的支架，质量仅7.5 kg。

目前一般使用树脂传递模塑工艺(RTM)来批量生产自行车。

4．4 网球拍
目前世界上高、中档网球拍大多是用碳纤维复合材料制成的。

最早把碳纤维应用于网球拍的是1974年美国Chemold等公司。

碳纤维复合材料可制大型网球拍，减震吸能性能好，设计自由。

与其他材料相比，碳纤维应用于网球拍有以下优势：①可制造大型网球拍：与过去木制的相比，在同样重量下，球拍面积可增加1.5倍左右，网线的张力比普通拍提高2O%～45%。

②减震阻尼性能好：碳纤维复合材料的减震阻尼性能出类拔萃，它不易起振，起振后也易停振。

③设计自由度大。

5 国外和我国研制生产纤维增强复合材料体育器材简况
近年来发达国家利用其在材料及工程技术领域的优势，使复合材料在体育用品领域的应用不断扩大，已取得了令人瞩目的成就。

目前已研制出采用GF、CF、芳纶纤维或陶瓷纤维增强复合材料为骨架的网球拍；滑雪棒以采用层压的复合材料制造；划桨、高尔夫球、曲棍球棒等也有类似的情况。

我国大陆地区在制造FRP 体育器材方面也作了大量工作。

如上海玻璃钢结构研究所早在2O世纪60年代采用南京玻璃纤维研究设计院研制的高模量玻璃纤维制成FRP撑杆。

浙江富春江水上运动器材厂和富春江体育器材厂等单位研制开发出ACM(先进复合材料)系列赛艇，除供国内选手外，还远销国外参加国际比赛，为发展纤维增强复合材料体育器材做出了重要贡献。

6 结束语
纤维增强复合材料在体育器材领域已形成了较大的市场。

1997年全世界运动器材中复合材料消耗量为5万吨，所占比例达到了25%。

业内人士分析认为，随着体育运动对运动器材越来
越苛刻的要求，将纤维增强复合材料运用到体育用品中来是21世纪体。