塑料復合材料在體育設施和健身器材中的應用

張馨嬌 范娜

摘要：在近幾年中，塑料復合材料因其性能輕量而備受體育器材行業的歡迎，其主要應用于制造球棒·自行車·攀巖器材·賽艇·冰球棒等領域，本文主要對工程塑料·復合材料兩種典型塑料材料進行闡述，并進行力學性能和耐腐蝕性能測試。

關鍵詞：塑料復合材料·體育設施·健身器材

中圖分類號：TQ322.2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0089-05

隨著人們生活水平的提高，人們對于健康問題也不斷的引起的高度重視。一旦有空閑時間，人們就會在健身房或其他的體育場所進行鍛煉，所謂身體是革命的本錢，好的身體才會有好的未來，從而導致了體育器材行業的快速發展。在建設體育場所時所需的器材量也不斷增加，以往的體育器材大都采用的普碳鋼為主，其主要代表的體育器材材料型號為Q235A和Q195，然而普碳鋼一旦沾水，就會腐蝕，又經太陽的光照，器材的壽命便大大的打了折扣，有時又因人員維修的不及時，便會給人群造成一定得安全隱患，基于這些問題，塑料復合材料便孕育而生，其中具有代表性的便是碳纖維和玻璃纖維，但由于人群對于這種新型的體育材料并不熟悉，所以便對其整個的消費能力有了一定得負影響，但塑料復合材料的質量和工藝在國際上是被認可的，就相對于傳統的體育器材而言，它的磨損的能力是遠大于傳統的體育器材，而且其壽命也較長，當然這也導致了其生產的工藝比較的復雜，產量小而且價格貴，但從長遠來計算的話，其所產生的經濟效益是相當的可觀。下文主要對工程塑料和復合材料兩種具有代表性的材料進行闡述，并對其進行力學性能和耐腐蝕性能測試。

1塑料復合材料在體育設施和健身器材中的應用

1.1工程塑料

工程塑料指可以代替金屬部件的塑料，其主要應用于體育器材，通常被分為工程塑料和特種工程塑料兩大類，工程塑料的品種有聚甲醛·改性聚苯醚·聚酰胺等，而特殊工程塑料的品種有氟樹脂·聚苯硫醚·芳香族聚酰胺·聚苯酯·聚砜類等，后者的耐熱可以達到150°C。這兩種材料的性能相較于傳統的體育器材其綜合性是更為的優良，具有較好的材料抵抗塑性變形的能力·耐腐蝕性·耐寒耐熱性等，使得其壽命比傳統的體育設備更具有發展前景，以此可以保證器材在一定溫度范圍內正常使用，由于體育器材會長時間的暴露在室外或接觸到酸性物質，所以其必須要具有較好的耐強酸·耐強腐蝕性的能力，在較為惡劣的環境中也可以正常的使用。工程塑料也作為體育器材的有些零部件，因其較好的性能

使得這個器材的使用壽命也大大的延長。除此之外，工程塑料的質量較輕·材料比強度高，與其他幾何尺寸相同的金屬器材更便于人們的使用，由于這一特點，其不但廣泛應用于體育器材行業，也應用于汽車·航空制造領域，另外，工程塑料的減摩·耐磨性也是相當的強，常被用于零件表面的接觸傳遞力矩的結構中，不僅大大的減輕了其設備的質量，還增加了其便捷性。最后一個優點便是容易加工，且生產的效率那是相當的高，除此之外，成本也較低，比如說傳統的金屬工件在對其刀具·夾具和切削的速度都有相應參數要求，這就直接給設計和制造的成本增加了，但若在體育器材中用工程塑料，不但增加其使用的優良性，還降低了器材在加工時所有的工藝難度，若大量進行生產的話，就可以降低生產的成本問題。

體育器材的長久使用與其好的性能是有著密不可分的關系，與普通的塑料比較，它具有好的耐熱和耐寒性能，體育器材在高溫和低溫時都可以正常使用，因此作為結構材料的首選。除此之外，他的耐腐蝕性也是不可小視，像那些長期暴露在室外的體育器材，就算是下酸雨，也不會造成器材的損壞，而且與金屬材料比較，容易加工，生產的量多，工序較為簡單，費用少，具有較好的尺寸穩定性和絕緣性，質量輕，比強度高，較好的減摩·耐磨性。

2.2復合材料

復合材料是人根據材料的不同性質將其組合成新材料，復合材料的基礎材料主要分為金屬和非金屬材料，還有一種材料為增強材料玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、石棉纖維等。人們一般對其的定義為，人們根據其需要而進行設計的制造材料，一般復合材料都有兩種或兩種以上化學·物理性質不同的材料進行合成，其機構具有可設計性，并可以進行復合結構設計，而且它具有各組分材料的性能的優點，性能并可以進行互補和關聯，從而獲得單一材料達不到的綜合性能。

2.2.1復合材料性能簡介

復合材料又名高性能組合材料，一般是通過物理或化學方式將兩種不同性質的材料進行合成，從而獲得新的性能，因合成材料具有所有合成材料的性質，因而廣受人們的歡迎，從材料結構的角度上看，復合材料由基體和增強材料組成，而用于復合材料的增強材料有玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維等等，其實上，在我們的實際生活中，建筑行業所使用的鋼筋混泥土就是一種復合材料，復合材料不但應用于建筑行業，其他的各行各業也同樣應用廣泛。在體育行業中，復合材料主要所具有的特點有比強度和比模量高·密度小，質量輕·研發的角度更加寬廣·安全等級更高·安全等級更高，其中的比模量又稱為比勁度，是材料的楊氏模量與密度之比，其材料比模量越大，其零件的鋼性越大。像碳纖維的強度就是鋼材的7～12倍，并且比模量是鋼材的3-5倍，由此可得，復合材料的強度和剛度要比金屬的相對要強很多。再者便是其密度小而質量輕，像羽毛球拍·滑板·自行車等，都需要其強度大而質量輕，像以前的有些用金屬材料制造的器材，為了使得體育器材的質量要輕，只有采取減弱強度和剛度的措施，有了復合材料就可以避免這一問題的發生，除此之外，復合材料的研發面也比較的廣，現階段，納米技術的應用是在各行各業廣泛應用，像超分子技術和成型技術的高速發展使得復合材料的研發的前景也更為的好，由于纖維復合材料的各向異性，通過修改纖維層的方式和組合，從而研發出不同性能的材料，在我們的實際生活中，常常根據其所需要的體育器材，來進行研發，以此來適合不同的人群，這樣使得體育器材行業可持續發展。除此之外，使用這種材料制作的體育器材的安全系數是比較的高，像傳統的金屬材料制造的體育器材常會因為長期暴露在空氣中而使得部分的零部件受損，從而導致了某些安全事故的發生，有時嚴重的話，還可能危及到人群的生命安全，再則便是使用復合材料制造的其質量也比較的輕，器材在長時間的被使用時，不會因疲勞破壞而對整體的安全性能有所降低，還有便是使用玻璃纖維或是碳纖維的增強材料時，纖維的各個方向上的受力都是大小幾乎相同，在微觀的視角來看，各個的纖維的應力和應變是一樣的，一旦有斷口的纖維被破壞將無法再承受作用力，然而其受力將被分配到其他的各個纖維，斷口出也沒應力的集聚，這就使得就算是個別的纖維斷裂也不會對整個的結構有多大的破壞，從而也提高了體育器材的安全系數。

2.2.2幾種常用的增強材料

增強材料是制造復合材料必不可少的一種原料，像玻璃材料·碳纖維等等一些復合材料。纖維便可以作為增強材料增加承受的壓力，通常為改變復合材料的綜合性能往往從材料的布局形式和質量上進行改進。下文就常見的5種增強材料進行闡述，其中包含有織物結構·無機纖維·高強高模合成纖維和增強用織物結構這幾種增強材料。首先是織物結構，他是以預成型結構作為增強材料和基體的合成，采用這種結構可以避免連續纖維和短纖維等等所產生的纏結和剪切效應，從而增強產品結構的一致性和整體性，再根據產品結構的不一樣，織物又可以分為針織物·編織物·機織物·三維織物等等不同的結構，除此之外，預成型的結構還可以和基體制作工字梁·十字梁·螺旋等不同形狀的的零件就不用二次成型，若將這項技術應用于體育器材的制作中，便可以大大的減小生產所需的時間，再者這可以使得織物結構生產的體育器材的強度和剛度有所提升。而對于無機纖維而言，它所涉及的材料有玻璃纖維·碳纖維·碳化硅纖維等等，其中玻璃材料是在這幾種纖維材料中發展的最好的一種，時間上也是相對而言較為早的一種，在者便是碳纖維，它是在將近兩年里發展起來的，并在工業生產中廣泛應用，最后一種那便是無機纖維了，無機纖維材料主要實在拉伸強度上增強，以此來增強制造出來的產品的抵抗彎曲變形和沖擊荷載的能力，因為這一能力的增強，使得這一材料被廣泛應用于高爾夫球桿·網球拍·滑雪板等等體育器材中，由于這些器材對彎曲變形和承受沖擊載荷要有較高的要求，在我們的實際生活中，所涉及的無機纖維有玻璃纖維·碳纖維·硼纖維和碳化硅纖維，由于這幾種合成的性能不同，所應用的面也會有所不同，就說玻璃纖維具有較好的耐老化·拉伸·彎曲·沖擊強度和剛度，而碳纖維除了玻璃纖維所有的性能以外，還有較好的耐熱性，然而它的潤濕性和沾附性相較于樹脂就不太好了，因此，在做復合材料時必須進行纖維的表面活化處理，除了碳纖維具有較好的模纖維外，還有一種那便是硼纖維，這種纖維主要用來增強樹脂和金屬，特別是增強環氧樹脂的復合材料。由于有些工種的需要，必須要器材在很高的惡劣環境中使用，對此人們便制造出了碳化硅纖維，其可以使得耐將近1000多℃的高溫。有時我們需要一種與樹脂有較好的結合性，所以人們便就制造出了一種名為高強高模合成纖維，其中所包含的纖維為超高模量聚乙烯纖維·混雜纖維和芳香族聚酰胺纖維等一系列纖維，像這一類纖維具有的特點為低密度·高強度，在我們的生產過程中，一般需要兩種或兩種以上的不同纖維來做增強材料，從而制作出混雜纖維，除此之外，我們還可以根據較為特殊的工種來研發出適合的合成纖維，其中具有代表性的的纖維有芳香族聚酰胺纖維，這種纖維因具有低密度·高強度·耐高溫的特性，而被廣泛的用于制造體育器材，除此之外，他和樹脂的粘緒性比較好，從而使得由他合成的復合材料的拉伸強度相較于玻璃纖維和碳纖維好，而且制造出的彈性模量是玻璃纖維增強材料的2倍多，然而比碳纖維增強材料就要低一點。除了以上幾種增強材料，像超高模量聚乙烯纖維·混雜纖維等等，在此就不在進行再一步的闡述。

2.3塑料及復合材料在運動器械中的應用

在體育器材中，常常用到的纖維有碳纖維。在德國某大學便成立了一個復合材料研究院，這是一個非盈利的組織，其經費大都來源于公共基金代理部門或工業部門撥款，這個機構不但在校內進行，也在其他的高校里有所合作，主要是從科研組合到產品性能和應用。該學校對此具有代表性的一個研究那便是重量為1.26kg的自行車架，其使用的碳纖維名稱為F10，其剛度與質量之比超過100（sTW系數），即使沒有提供較為詳細的尺寸，但這并不對我們的研究有多大的影響，只要提供車架的剛度和質量比就可以了，使用碳纖維制作的自行車更加傾向于圓形或橢圓形其中之一，新近改成氣動。但碳F10在車的支柱部位向下管子的外形是圓形，并且也漸漸的變為矩形橫截面，研究院為了增強標準圓形橫斷面管子的剛度20%，便采用了此種方式來制造，特別是底部托架是承受高載荷區，這里主要連接著腳蹬子。除此之外，碳F10車架是唯一一個前叉喇叭狀向下管子，使用這種外形，相較于用恒定不變直徑的圓柱形管，可以承受更大的荷載，同時提高了車架的彎曲剛度，也減小了質量。就在最近，在歐洲雜志上就登了一種使用碳FIO制造的自行車，其中把它與普通的自行車比較，使用碳FIO制造的得分數是其中較高的，從而便制造出了一種新型的山地車。碳纖維不但在自行車行業得到了廣泛的應用，在賽艇上也得到的應用，在世界賽艇比賽中一種名為水葉賽艇因質量輕和船身堅固，而在世界賽艇比賽中奪得頭冠。水葉賽艇一般采用環氧樹脂·碳纖維層壓板和DIAB所制作的夾層材制作，這種賽艇具有速度快和穩定性好的潛力，就算是在奧林匹克運動會2000m的8人劃艇也可以居于比較領先的位置。

隨著人們的生活水平的的提高，瑞士復合材料公司，就冰球棒又研發出了一種新品種，這種冰球棒在耐久性和參賽性等方面具有較大的提高，其生能比用兩片膠粘合在一起的所制作的冰球棒更好，而使用一體加工的冰球棒結構就更為均勻·連續，因沒有葉子和棒的物理破裂，便可以你有好的平衡感和使用感。冰球棒第一次使用復合材料是1992年制造的，其具有好的耐久性，可代替用木頭做的冰球棒，從此之后，就被廣泛的應用于體育器材制造事業中，然而由于棒和葉子是被分開的，加工起來也比較的容易，但該公司相信一體化的整體棒從結構上更好，可以避免連接處出現破裂的跡象。一體化的冰球棒在不同密度的泡沫塑料上采用碳纖維·玻璃纖維和芳綸等進行鋪層，再采用RTM的方法灌注樹脂，通過這種處理，比用木頭制造的耐久性高了整整7倍之多，除此之外，他還具有較好的震動

吸收性和快速能量釋放性，主要是其中的制造材料中含有泡沫塑料芯材和碳纖維，就在近幾年里，世界上有大概90%的冰球專業比賽大都使用復合材料來制作冰球棒。碳纖維有時也被用于救援事件中，其中最有名的便是Comitech與Saint-Gobain Vetrotex公司共同研發的復合材料擴展器，這種復合材料的擴展器可以在高山上使用，因此而獲得2005年復合材料的創新大獎。此種擴展器是用的真空成型法，并用兩種熱塑料復合材料制作，主要是這種新型的復合材料具有質量輕·剛性好，在使用時，便于人們的搬運和安裝拆卸，可以在救援場地快速拆除和安裝。這種擴展器的起源主要是PGHM·Chamoniarde安全部門和Val-dotain阿爾卑斯山救援隊在救援時所來的，當時救援時，所用的擴展器是20A的金屬擴展器，但其舒適性比使用這種新型的就要差一點了。

2.4塑料復合材料性能測試

我們的體育器材和健身器材主要為熱塑料性塑料，其中的主要的原料不飽和聚酯樹脂·環氧樹脂和碳纖維增強樹脂，下文主要從耐腐蝕性能和力學性能兩個方面對其中的主要的原料進行測試。

2.4.1耐腐蝕性測試

本實驗所需要的材料有Ca（OH）2，NaOH，Na-c1，KOH，測量儀器有電子天平·全自動旋轉蒸發儀，具體的實驗步驟是稱取118.5gCa（OH）2·0.9gNaOH，4.2gKOH和35ml（g/m1）NaCl溶液溶于1000ml去離子水中，將其分為3份，把三組材料浸泡在該混合液中4周時間，間隔大概一周進行檢驗，實驗結果如表1所示。

由表1我們可以得出這三種材料的耐腐蝕性由高到低的為環氧樹脂·不飽和聚酯樹脂·碳纖維增強樹脂基復合材料。由于經過了長達4周的鹽堿混合液浸泡，這三組材料反生了不同程度的變化，主要是檢驗氣泡和質量的變化。

2.4.2力學性能測試

本實驗所需的材料為不飽和聚酯樹脂片材，其型號為WSR 618;環氧樹脂片材Araldite XH-E44：碳纖維增強樹脂基復合材料片材BQ-y-p-1.5K-025;這三組材料的長度和寬度分別為250mlx20ml。所要的儀器有微型測力傳感器，EVT-14F-M·位移傳感器，2DD-T200·沖擊試驗機，HD-1048·微機控制電子萬能試驗機，RGT-20A。最后便是如何進行實驗了，主要是對其拉伸性能·沖擊性能兩種性能進行測試，其拉伸性能的測試所用的測試儀器有微型測力傳感器，將三組樣品材料分別放置在微機控制電子萬能試驗機上，并設置其拉伸速度為mm/min，而對于沖擊性能的測試，所用的儀器有沖擊試驗機，并設置其沖擊錘沖擊能為8J，實驗結果如表2所示。

從表2中，我們不難看出碳纖維增強樹脂基復合材料的拉伸強度·彈性模量·沖擊強度相較于其他兩種的要好，而對于斷裂伸長率就低于其他兩種材料，其中不飽和聚酯樹脂高于環氧樹脂，若想改進這一個特性，可以進行再一步的研究，添加合適的助劑。

3結語

在以往的體育器材中，都是用傳統金屬和木質材料進行制作，但其綜合性就更為的優良了，所使用的范圍也比較廣泛，由于塑料和復合材料被廣泛的應用于體育器材的應用中，從而增長了其使用的壽命，同時也減輕了質量以保證強度和剛度。

即使國內對于塑料和復合材料的研發比較的晚，但其發展是不容小覷，速度是相當的快，所研發的產品也廣泛用于我們的實際生活中，若與歐美國家相比的話，還是有一定得差距的，這也是我們后期所需要努力的地方。就相關的體育行業的專業人士透露，纖維復合材料在體育行業具有好的發展空間，這也會在體育行業占據主導地位。