纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用

（陜西學(xué)前師范學(xué)院體育系,陜西 西安710100）

玻璃纖維(GF)或者碳纖維(CF)增強(qiáng)復(fù)合材料是一種增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)材料，它主要由陶瓷、金屬、樹(shù)脂、纖維等基體經(jīng)由復(fù)合而成[1]。它的比模量、比強(qiáng)度都比較高，綜合性能指標(biāo)非常出色。它被廣泛地運(yùn)用在汽車、航天、航空和其它工業(yè)領(lǐng)域中，逐漸地變成為運(yùn)動(dòng)器材中的最佳材料[2]。運(yùn)動(dòng)器材對(duì)疲勞特性、剛度、密度等方面的要求非常嚴(yán)格。和傳統(tǒng)材料相比較，此類復(fù)合材料性能的優(yōu)勢(shì)非常明顯，它已成為當(dāng)代體育器材中不可或缺的一種新材料[3]。

塑料及其復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)很多，如價(jià)格低、密度小、具有較好的比模量與比強(qiáng)度、易于成型等，所以被普遍地用在各種運(yùn)動(dòng)器械與體育設(shè)施中[4]。隨著這些材料的性能越來(lái)越突出，它們慢慢地取代了木材與金屬，被廣泛運(yùn)用于運(yùn)動(dòng)器材中，如被用在跳水、帆船、摩托等很多運(yùn)動(dòng)器械中[5]。運(yùn)動(dòng)器械要具備穩(wěn)定良好的質(zhì)量與性能，可以充分地削減運(yùn)動(dòng)員受傷的概率[6]。過(guò)去溜冰鞋均采取金屬材質(zhì)的輪子，如今已經(jīng)替換成了硬質(zhì)聚氨酯制成的輪子，耐磨損、耐摩擦的性能更高。采取陶瓷纖維、碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維增強(qiáng)型的復(fù)合樹(shù)脂材料制成了輕巧、耐用、結(jié)實(shí)的網(wǎng)球拍骨架。曲棍球、劃槳、高爾夫球、吊傘索、滑雪棒等，都采取了層壓纖維制成的增強(qiáng)型復(fù)合樹(shù)脂材料制備[7]，此類運(yùn)動(dòng)器材的質(zhì)量比較小，然而卻能夠承受強(qiáng)度很大的外力，綜合性能非常突出。采取適當(dāng)形式與結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料造出的帆板，能夠滿足此類運(yùn)動(dòng)對(duì)器材很高的綜合性能要求。它能夠把超高分子量定向聚乙烯(UHMWPE)纖維層或者纖維織物聚壓到聚酯薄膜上。所以盡管帆的質(zhì)量很小，然而卻具有很高的強(qiáng)度，不易于出現(xiàn)蠕變。在運(yùn)動(dòng)區(qū)與體育設(shè)施領(lǐng)域中，樹(shù)脂與相關(guān)復(fù)合材料的市場(chǎng)已經(jīng)非常可觀，而且其銷售額與市占率都在持續(xù)攀升。

1 適用塑料品種及特性

幾乎任何熱塑性塑料均可用于運(yùn)動(dòng)器械與體育設(shè)施中，比如聚碳酸酯(PC)與聚酰胺(PA)等，熱塑性塑料中的合金也不例外。表1中列舉了運(yùn)動(dòng)器械與體育設(shè)施用復(fù)合材料的幾種相關(guān)樹(shù)脂性能。

表1 體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械用復(fù)合材料的樹(shù)脂性能Table 1 Resin properties in composite materials for sports facilities and sports equipment

1.1 不飽和聚酯

不飽和聚酯被固化后，呈現(xiàn)為固體，不透明或者透明，具有良好的韌性，不具備優(yōu)良的耐光性，容易著色[8-9]。即便被浸入到鹽或者酸溶液中，不飽和聚酯依舊具有穩(wěn)定的性質(zhì)，燃燒性一般，缺乏較強(qiáng)的耐熱性，具備較高的力學(xué)性能、良好的電氣性能與耐腐蝕性，能夠和絕大多數(shù)增強(qiáng)劑進(jìn)行復(fù)合。而且，它的成本也比較低。用不飽和聚酯與玻璃纖維，能夠以手糊成型等方式，完成制作皮劃艇艇身的工作；采用一定量的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維、不飽和聚酯與玻璃纖維，采取層壓或者手糊的手段，可制成所需要的沖浪板，質(zhì)量輕盈，耐磨損、結(jié)實(shí)耐用。采用玻璃纖維GF增強(qiáng)不飽和聚酯，采取纏繞或者擠壓的手段成型，能夠制成高質(zhì)量的高爾夫球棒；而且，在電碰車、速滑車、滑梯或者成型體育場(chǎng)的各種座椅中，都可以運(yùn)用不飽和聚酯或者玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

1.2 環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂(EP)固化物的耐腐蝕性、介電性、力學(xué)性能、黏結(jié)性都非常優(yōu)異，收縮率比較低，尺寸穩(wěn)定性也比較突出[10]。因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂以及用于環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑有很多品種，可以通過(guò)多種配方組合成相應(yīng)的固化體系，在此基礎(chǔ)上可以生產(chǎn)出性能各不相同的固化物。采取玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，能夠制成韌性好、彈性突出的撐桿；碳纖維或者環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，通常情況下被加工成滑雪棒，耐用性好，結(jié)實(shí)可靠，十分輕巧；玻璃纖維或者環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維復(fù)合材料還能夠采取擠壓或者纏繞成型的手段，加工出強(qiáng)度大、韌性突出的弓箭。

1.3 聚鄰苯二甲酸二烯丙酯

聚鄰苯二甲酸二烯丙酯(DPAP)的力學(xué)性能非常突出，和碳纖維、玻璃纖維等纖維一樣，黏結(jié)強(qiáng)度都非常高，具有良好的耐熱性，收縮率也比較低。

2 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng) 器材上的應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多地把纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料運(yùn)用于體育器械與運(yùn)動(dòng)器材中，比如羽毛球拍、釣魚(yú)竿、自行車、滑雪板、沖浪板、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等多種設(shè)備中。

2.1 撐桿

撐竿跳高是被奧運(yùn)會(huì)最早列入正式比賽的項(xiàng)目之一，最初運(yùn)用的撐桿由山胡桃木制作而成。雖然很結(jié)實(shí)耐用，然而它不夠輕便，儲(chǔ)能比較差，不具備良好的彈性，運(yùn)動(dòng)員會(huì)浪費(fèi)不少動(dòng)能，因此撐桿跳比賽無(wú)法獲得理想的成績(jī)。后來(lái)該項(xiàng)目采取竹竿制成的撐竿，因?yàn)橹褡淤|(zhì)量較輕、中空，對(duì)助跑非常有利，韌性與彈性都很不錯(cuò)。運(yùn)動(dòng)員使用這些撐桿后，他們的比賽成績(jī)顯著提升。上世紀(jì)六十年代，人們不再采取竹竿制作的撐桿，而是開(kāi)始用聚酰胺來(lái)制作撐桿，后來(lái)玻璃纖維撐桿又代替了聚酰胺撐竿。隨著人們持續(xù)更新制作撐竿的相關(guān)材料，運(yùn)動(dòng)員們屢次刷新世界紀(jì)錄。眼下人類已經(jīng)造出了第四代撐竿，玻璃纖維與聚酰胺不再使用，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料具有更優(yōu)異的性能，它能夠按照撐竿受到的不同外力，采取與運(yùn)動(dòng)需求相符合的材質(zhì)，制作運(yùn)動(dòng)撐桿的相關(guān)部位，獲得整體性能更突出的撐桿設(shè)備。此類撐竿耐用、非常輕盈、柔韌性非常優(yōu)異，基本上不會(huì)發(fā)生扭結(jié)或者斷裂等問(wèn)題，它能夠?qū)?dòng)能轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的彈性形變能，在撐竿被壓彎到弧度最大后，能夠迅速釋放這些彈性形變能，變成勢(shì)能協(xié)助跳高運(yùn)動(dòng)員騰空而起，從橫桿上飛躍過(guò)去，以獲得更理想的比賽成績(jī)。

2.2 羽毛球拍及網(wǎng)球拍

二十世紀(jì)七十年代，東麗公司與河崎球拍廠合作設(shè)計(jì)了碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料(CFRP)羽毛球拍桿。它們當(dāng)時(shí)銷售的是B-80型羽毛球拍的木質(zhì)拍框，拍桿采取了碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料，B-82型球拍屬于鋁質(zhì)拍框，拍桿采取了碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料。隨著新型材料持續(xù)更新、迭代，需要質(zhì)量越來(lái)越高、性能更佳的運(yùn)動(dòng)器材，球拍骨架材料均已采取碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)制造和加工，如今市場(chǎng)中銷售的各種高檔羽毛球拍中，它們的拍桿與拍框均采取碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料制作而成，比如B-86型羽毛球拍。如今羽毛球拍朝著CF復(fù)合增強(qiáng)材料拍桿、拍框的方向發(fā)展，循序漸進(jìn)地取代了鋁合金鋼桿與拍框，讓球拍總重量不超過(guò)一百克。在打球過(guò)程中，羽毛球拍存在著復(fù)雜的受力情況。因此，球拍桿的彎曲強(qiáng)度要大、縱向彎曲剛性要強(qiáng)，必須具備出色的強(qiáng)度與扭曲剛性。

網(wǎng)球拍是一種常用的運(yùn)動(dòng)器材，如今市場(chǎng)中銷售的高中端網(wǎng)球拍，均采取纖維復(fù)合增強(qiáng)材料精制而成。它的優(yōu)點(diǎn)非常突出，比如具有較強(qiáng)的可塑性與延展性，減振性能非常突出，設(shè)計(jì)種類也將越來(lái)越多元化。美國(guó)一家企業(yè)最早在網(wǎng)球拍中運(yùn)用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料，之后其它企業(yè)紛紛效仿。第一，可以利用此類材料，加工成大型網(wǎng)球拍，其使用性能和傳統(tǒng)的木制網(wǎng)球拍相比，得到了長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展。雖然重量相同，然而它們的延展性卻存在著很大區(qū)別，由這些復(fù)合材料加工的網(wǎng)球拍面積，比木質(zhì)網(wǎng)球拍面積多出了50%。而且，它也在較大程度上提升了自身的網(wǎng)線張力。此類復(fù)合材料具有較高的比模量、比強(qiáng)度，質(zhì)量很輕，因此即便是大型網(wǎng)球拍采用此類復(fù)合材料，也可以確保球拍較輕的重量，在拍打過(guò)程中不易于發(fā)生變形。第二，此類復(fù)合材料的減振吸能性非常突出。在開(kāi)展網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，球與球拍之間的相互作用，可以促進(jìn)振動(dòng)。此類復(fù)合材料制作的網(wǎng)球拍，減振效果良好，降低它的振動(dòng)幅度，乃至于不振動(dòng)，讓運(yùn)動(dòng)員的手受到的振動(dòng)非常之小，運(yùn)動(dòng)過(guò)程更為舒適。碳纖維在加入了納米二氧化硅粒子的環(huán)氧樹(shù)脂中接受預(yù)浸漬，把它制為單向碳纖維增強(qiáng)片材，借助所得片材，加工成所需要的網(wǎng)球拍框。此類制備方法在一定程度上改善了材料結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了均勻一體化，獲得更大強(qiáng)度的材料，球拍的耐用性更好，也更為可靠、結(jié)實(shí)。

2.3 滑雪板

近年來(lái)日益增多的人們開(kāi)始喜歡上了滑雪運(yùn)動(dòng)，其中滑雪板是關(guān)至關(guān)重要的運(yùn)動(dòng)器材。它會(huì)影響到人們的滑雪效果和人身安全。因此為了破解此類問(wèn)題，要繼續(xù)改進(jìn)和開(kāi)發(fā)更高水平的滑雪板材，提升其質(zhì)量，從而獲得更輕的滑雪板，具備更好的可控性能、減振性能，延長(zhǎng)它的使用壽命。因此，復(fù)合材料是最理想的選擇。采用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料造出的滑雪板綜合性能非常優(yōu)異。它比傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)與木質(zhì)滑雪板，具備更理想的使用性能。就木質(zhì)滑雪板和金屬滑雪板而言，前者容易被毀壞、發(fā)生形變，后者的適應(yīng)性非常不理想。但是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料滑雪板的韌性非常卓越，而且在很大程度上延伸了它的使用壽命。

滑雪板選用的材料與結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，使用與開(kāi)發(fā)者對(duì)板材的輕量化、提升減振性能、延長(zhǎng)耐疲勞壽命、改善回轉(zhuǎn)特性非常關(guān)注。如今，人們已經(jīng)逐步淘汰了木制滑雪板，開(kāi)始采用新型的復(fù)合材料滑雪板，其主體結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)鋁合金、玻璃鋼、塑料、鋼刃與PUR泡沫等精制而成，使用性能非常出色。相關(guān)研究成果表明，其板體下層材質(zhì)的主要成分涵蓋了聚乙烯(PE)與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，碳纖維或者環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料被用作它的結(jié)構(gòu)層材質(zhì)，而且還填充了聚氨酯泡沫塑料，制造出的滑雪板可以說(shuō)是性能出色、款式多樣。采取碳化硅纖維（SCB）增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料生產(chǎn)出的滑雪板，它的最顯著特征是具備非常出色的扭曲和彎曲平衡性，滑行性與回轉(zhuǎn)性之間達(dá)到了很高的匹配度，具有極好的滑雪穩(wěn)定性與減振性能。日本一家企業(yè)已經(jīng)在銷售此類產(chǎn)品。而且，人們也可以利用硼纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料，生產(chǎn)出使用性能良好的滑雪板。

2.4 帆船及帆板

船體結(jié)構(gòu)對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度都有著較高要求，主要使用纖維增強(qiáng)熱固性塑料，比如玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂，它的比強(qiáng)度大致達(dá)到了鋼鐵材料的兩倍到三倍，而且它也擁有塑料的耐腐蝕、介電性等多種性能。在復(fù)合材料中加入了高性能纖維和相應(yīng)的織物后，其比模量與比強(qiáng)度達(dá)到了更高水平。一般情況下，人們把酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯、不飽和聚酯等基體樹(shù)脂加入到帆板與帆船中，能夠有效地契合船帆與船體對(duì)這些材料的性能要求。帆板重點(diǎn)涵蓋了兩部分，帆桅與帆體。帆板采用了兩類塑料，分別是熱固性塑料與熱塑性材料，熱塑性塑料重點(diǎn)涵蓋了聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯酸酯共聚物(ASA)/ABS和苯乙烯/丙烯腈和相應(yīng)的合金，聚丙烯(PP)、聚乙烯；熱固性塑料涵蓋了聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂與不飽和聚酯。增強(qiáng)纖維涵蓋了芳綸纖維、石墨纖維、玻璃纖維、碳纖維等。帆板相關(guān)組成部件都可以采取很多成型方法，比如熱成型、旋轉(zhuǎn)模塑、吹塑模塑、注射模塑，再就是經(jīng)常采取的熱固性樹(shù)脂成型方式。

2.5 壘球棒

壘球棒最早是由木材制成，而隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料因其質(zhì)輕、強(qiáng)度高，被用于開(kāi)發(fā)制作壘球棒，可以選用硬質(zhì)PUR泡沫塑料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)、CF增強(qiáng)硬質(zhì)PUR和CFRP、或者是全部采用CFRP來(lái)制作球棒，使用壽命長(zhǎng)且耐磨損。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在發(fā)展纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料方面，具有非常可觀的市場(chǎng)潛力和樂(lè)觀的應(yīng)用前景。如今它已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)器材市場(chǎng)中占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額。隨著社會(huì)不斷向前發(fā)展，人們需要越來(lái)越需要各類運(yùn)動(dòng)器材，對(duì)此類復(fù)合材料提出了更高要求。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料在與時(shí)俱進(jìn)地向前發(fā)展，發(fā)展前景必將更加廣闊。