新型纖維材料在體育器材中的影響研究

黃珂

摘要：當今社會體育運動水平不斷提高，對體育器材的要求也日益提高，傳統的體育器材材料巳經無法滿足這些不斷提高的新要求，新型纖維材料憑借其各種優越的性能漸漸地在體育器材領域嶄露頭角，新纖維材料具有質輕，高模量，高強度，化學性質穩定等等特點，制作而成的體育運動器材更加符合現代體育運動的使用要求。通過介紹幾類新型纖維的性能以及在體育器材上的具體應用，表明了新型纖維能夠在體育器材領域發揮至關重要的作用，具有非常廣闊的應用前景。

關鍵詞：新型纖維;體育器材;影響;研究

中圖分類號：TQ317

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0066-05

隨著現代科學技術的不斷進步，人們的生活質量水平也在不斷的提高，越來越多的人開始注重體育鍛煉。同時，體育的發展水平也可以體現一個國家的科學技術發展水平，體育的競爭從另一個方面來看也是科學技術的競爭，想要提高體育的科學技術水平，先進，新穎的新型材料是必不可少的重要條件。體育運動的不斷進步發展，一方面取決于體育運動的科學化，另一方面就是要依靠材料科學的發展。現代的信息技術與新型材料在不斷的改變人們的生活方式"，體育器材的發展中新型材料起到了至關重要的作用。新型材料技術的不斷發展以及其在體育器材上面的廣泛應用對其余器材的發展具有很大的促進作用，新型材料具有許多普通材料所不具備的優點，諸如強度高，質量輕，耐腐蝕性能好，設計自由度大以及以加工等等，體育行業因為對新材料，新技術以及新工藝的不斷研究產生了很大的變革，對體育器材材料的研究以及改進也是近些年來的科研熱點。

1體育器材材料發展的意義

1.1材料

體育運動的競爭就是科學技術的競爭，科學技術水平的提高依賴先進新型材料的發展，在體育運動器材。上面采用新型材料是改進體育器材的重要手段之一。

材料是人類生存發展，改造自然以及征服自然的重要物質，它與信息和能源被作為現代文明的三大支柱，是人類發展的歷史證明。材料科學的不斷進步使得人們對自然的支配能力不斷的提高，也是對社會進步的巨大促進。

我國是制造業大國，制造業是離不開材料的。當今世界材料的種類繁多，傳統的材料就已經與有幾十萬種了，隨著科學技術的不斷發展，新型材料的品類也在不斷的增加。無論是直接應用還是間接應用，新型材料在體育器材領域的應用已經越來越廣泛，直接應用主要變現在運動員的服裝，裝備，比賽器材y9ij訓練器材方面，而間接應用則表現在裁判設備，運動場地，指揮通信以及信息報道等反面的材料需求。

1.2材料對體育器材發展的影響

21世紀之前體育運動器材采用的傳統材料稱為傳統區域器材材料，如皮革，木材，橡膠，金屬，玻璃等等。這些很多材料都是取材于大自然，根據最開始的體育設定而制備使用的，用以滿足人們對體育運動競技的需求，其制備條件相對簡單，所以很容易推廣，在體育運動的最初發展階段，傳統的體育器材材料起到了決定性的作用。但是傳統的體育器材材料也存在一些缺陷，例如在耐磨性，硬度，使用周期，可塑性以及某些特殊需求方面漸漸地無法適應體育運動的發，展需求，因而傳統的體育器材材料也由于科學家技術的不斷發展而不斷進步，如乒乓球拍的制作材料從開始單獨使用木材到后面改用術材和皮革的混合材料，后面更有合成橡膠的使用，同時也產生了許多的復合材料，隨著材料的不斷更新進步，新型材料也開始被用在體育器材制造領域，新型體育器材材料指的是21世紀出現的高科技材料，由于其優良的機械性能，力學性能以及物理特征，在體育器材中具有很大的應用優勢。這些材料具有高強度，輕重量，高模t，高硬度以及較強的可設計性能等優點，在體育器材中使用這些新型材料能夠制作出各項性能都非常優異的體育器材，所以被廣泛的應用在體育器材的制造生產中。近些年來，科研人員研發了許多的新型材料，諸如碳纖維復合材料，鎂基材料，石墨烯，阿德米拉纖維，新型陶瓷復合材料，生物工程塑料等等，這些材料已經在現代體育器材中被廣泛使用，在各種訓練場地以及跑道的鋪墊上面，硅橡膠材料也漸漸被廣泛的使用，由此可見，新型的纖維材料在未來體育器材的制造領域有著十分廣闊的發展前景。

2新型纖維材料的應用優勢

2.1質輕

現代的許多體育運動中，體育器材都是依靠人力來驅動的，因此會要求器材的重量越輕越好，如自行車，高爾夫球，滑雪板等等，新型的纖維材料絕大多數都具有質輕的優點，比如碳纖維增強材料，其制作而成的球桿，力學性能比金屬制作的球桿明顯增強，但是其重量卻只有金屬球桿重量的30%～50%，由此可見采用新型纖維材料制作的體育器材可以顯著降低體育器材的重量。

2.2良好的力學性能

力學性能的好壞是評價體育器材優劣的重要標準之一，只有保證其良好的力學性能才能確保其使用性能。而許多的新型纖維材料都具有良好的力學性能，如復合纖維材料，其具有優良的抗阻尼減震性能，纖維增強復合材料具有優良的比模量，比強度以及比彈性，也因為這樣，這些新型纖維逐漸被作為體育器材的制作原料。

2.3較強的可設計性

現代新型的纖維材料具有很強的可設計性，尤其是近些年復合材料成型技術的逐漸發展成熟，體育器材的設計空間大大增強，其設計自由度也得到提升，可以根據體育運動的需求或者運動選手自身的特點，設計制作更具人性化的體育運動器材。

2.4對環境友好

環境保護問題一直是現代社會非常關注的問題之在開發設計體育運動器材的過程中，器材的環保問題也是必須考，慮的方面，許多新型的復合纖維材料相較于傳統的體育器材材料，其在使用過程中不會釋放諸如甲醛、苯等有害氣體，新型纖維材料其本身也可以再次回收利用，由此可見，新型的纖維材料是一種節能環保的新型資源，更加符合現代社會的發展要求。

3新型纖維材料的分類

隨著科學技術的不斷進步發展，新型纖維的種類越來越豐富，并且被廣泛的應用于各個行業領域，下幾種新型纖維在體育器材中應用較為廣泛。

3.1碳纖維

碳纖維是一種高強度高模量纖維，其含碳量在90%以上，其耐高溫性能在所有的化纖中居首位，它主要是腈綸和粘膠纖維經過高溫碳化或者石墨化而制成。當今世界，碳纖維的研究和生產一直領先世界各國。碳纖維的力學性能十分優異，其比強度大約是金屬鐵的20倍，但是比重非常小，比鋁還要輕，不到鋼的1/4。由于碳纖維的各種優良性能，已經被許多的高新技術行業所應用，例如飛機制造軍工領域，棒球生產體育休閑領域，風力發電葉片工業領域等。碳纖維材料還具有優異的物理性能，它具有高模量，高強度，小線膨脹系數以及低密度等優點。此外，碳纖維還具有非常好的纖度，約為19g，其拉力卻高達300kg/mm？。所以，在一些對材料剛度要求嚴格，化學環境穩定性要求高以及高溫環境的領域中，碳纖維復合材料可以發揮不可取代的優勢。另外，不同種類的碳纖維其力學性能也存在差別，具體如表1所示。在制作體育器材是，要根據體育運動器材的力學性能要求來選取，同時碳纖維和樹脂的粘附性，潤濕性較差，所以在制備碳纖維復合材料是，需要對材料的表面進行活化處理[2]。

3.2玻璃纖維

日常生活中，人們對玻璃的認識就是質地堅硬的透明易碎的物質，無法作為結構用材，但是當玻璃材料抽成絲后，其強度會大大增強，并且具有一定的柔軟性，因此當它配合其他材料被賦予形狀之后是可以作為結構用材使用的。玻璃纖維的直徑同它的強度是成反比的，在一定范圍內，其直徑越小強度越大。玻璃纖維的制備過程時以玻璃球或者廢舊的玻璃作為加工原材料，經過高溫熔制，然后拉絲，絡紗等工藝，玻璃纖維的直徑很小，比頭發絲還要細，只有頭發絲的1/20到1/5，大約為幾微米到二十幾微米，其纖維原絲都是由數百數千根的單絲構成。玻璃纖維是開發應用較早的一種復合材料，目前比較著名的玻璃纖維生產企業有中國的巨石玻纖和美國的歐文斯科寧。同樣，玻璃纖維也具有許多的優良特性，如其尺寸穩定性良好，耐老化性能良好，阻燃性好，耐熱性能以及耐化學性能也十分良好。物理性能優異：拉伸強度，彈性模量大，伸長率低。玻璃纖維這些優良特性非常利于制作體育運動器材。

3.3硼纖維

硼纖維是一種重要的高科技纖維，是利用石英和鎢絲，經過化學氣相沉積法制備而成，是一種復合纖維。美國空軍增強材料研究室是最在開發制備硼纖維的，主要是為了研究制備質量輕，強度高的增強纖維材料，然后將這種材料應用于高性能體系的尖端飛機的制造中。隨著現代生產力的不斷進步發展，硼纖維的使用領域不斷拓展，已經被應用在許多新的領域，例如體育娛樂用品，航天用品以及工業用品等領域，目前硼纖維的制備方法主要有乙硼烷的熱分解法，化學氣相沉積法以及熔融乙硼烷法，但是化學氣相沉積法是目前成本最低的方法，該方法主要是采用鎢絲作為芯材，其直徑為12.5um，經過由電阻加熱的反應管，主要的化學原料是三氯化硼和氫氣，讓它們由反應管的。上端流入，然后進行加熱使溫度升至大約1300C，化學反應完成之后，硼就會在鎢絲的表面沉積，從而之制成硼纖維被導出。硼纖維增強環氧樹脂材料是具有高強度，高模量的復合纖維材料，常被用作體育運動器材的制作。

3.4超高模量的聚乙烯纖維

超高模量聚乙烯纖維是一種新型的的高新能纖維，同芳綸及碳纖維相比，它具有更高的強度和更輕的質量，其密度只有0.97glcm？，此外，超高模量聚乙烯纖維的大分子結構是具有高度取向的伸直鏈結構，其化學穩定性良好，化學惰性很強，其強度幾乎不是受到強堿，強酸和有機溶劑的影響，其耐候性也非常好，即使是經過日曬1500h之后，它的纖維強度保持率也能保持在80%，另外，其耐紫外線、耐低溫性能也十分優越，即使在-150C的低溫下也可以正常使用。在絕大多數高性能纖維中，超高模量聚乙烯纖維具有最強的耐彎曲耐磨性能，抗切割性能以及抗張力疲勞性能，由于這些優異的性能在很多高新領域都發揮著重要的作用，諸如航空航天，車輛制造，安全，防護，體育以及造船等領域[4]。但是超高模量聚乙烯纖維非常不易于染色加工，因此它的用途在某些方面受到了限制，近些年，也有學者對其染色加工的方法進行了研究，若這項技術研發成功，必定能夠擴大超高模量聚乙烯纖維的使用領域。

3.5碳化硅纖維

碳化硅纖維是一種具有高模量，高拉伸強度，良好相容性的新型纖維，此外，其具有良好的耐高溫性E，能夠在1250C的高溫下使用。碳化硅纖維的制備方法有2種，①化學氣相沉積法，②驅體轉換法。由于碳化硅纖維的高模量，高拉伸強度的優越性能，用其復合材料制作成的體育運動器材具有良好的抗沖擊，耐磨以及抗壓性能。

3.6芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維（Aramid）是不同于脂肪族聚酰胺的一種新型纖維，其最開始是由Dupont公司發明。由于它的化合物的熔點都比它的分解溫度高，所以只能通過溶液法制取纖維，其成形方法2種，①以濃硫酸作為溶劑的千濕法紡絲，②Monsand方法，這種方法是將對位芳香族聚酰胺進行化學改性，然后將其溶解到有機溶劑里面，最后紡制成絲。芳香族聚酰胺纖維具有低密度，高模量，高強度，耐高溫以及與樹脂粘結性好等特點，是一種高附加值，高技術含量的特種纖維，用其制成的增強復合材料具有良好的拉伸強度，比碳纖維和玻璃纖維增強材料的拉伸性能還要好。

3.7混雜纖維

混在纖維增強材料指的是將兩種短纖維混雜或者兩種長絲單項增強的纖維材料，混雜纖維增強材料在具備單一纖維的特點的情況下還能夠或的另一種纖維的特殊性能，這種混雜纖維能夠夠好的滿足體育器材的使用要求，同時做到優勢互補。混雜復合材料的研究具有非常重要的意義，其一是節約成本，在進行混雜纖維制備是可以采用便宜的纖維取代昂貴的纖維，這樣可以大大降低成本。其次是可以對要選取的纖維進而體積含量進行優化選擇，這樣就可以獲得范圍寬廣的機械性能和物理性能。第三點就是經過纖維不同組合，可以獲得某些獨特的纖維材料特性，這是單一的纖維材料所無法具備的。

4體育器材中新型纖維材料的應用

許多新型纖維所具備的優良性能是出傳統材料所不具備的，因此很多體育器材的制造上面都已經開始采用新型纖維材料，例如賽艇，自行車，球桿，籃球以及滑雪板等等，新型纖維的使用使得體育器材具備了更加優良的使用性能。

4.1賽艇

賽艇運動中，由于賽艇要不停的受到高速運動的水的沖擊，因此要求賽艇具有非常好的抗沖擊性能，同時也要減少賽艇的附負重，這樣有利于加快運行速度，對于這樣的要求，單一的纖維增強復合材料是無法滿足的，所以進過研究者的改進設計，將玻璃纖維和碳纖維進行混雜制成纖維復合材料，也就是CF/GF混雜纖維復合材料，用這種新型纖維制成的賽艇性能也表現出混雜效應，但是仍在孫在抗沖擊性能不夠，體重超標的問題，所以研究人員又引入了芳綸纖維，設計出了CF/KF混雜纖維復合材料，用這種材料制成的賽艇能夠顯著改善賽艇體重超標及抗沖擊性能不夠的缺點。將混雜纖維應用到賽艇的制作中，能夠使賽艇具備范圍更寬廣的機械性能和物理性能，于此同時也能夠獲得獨特的組合性能，這是傳統的單一類纖維材料無法達到的。

4.2自行車

新型纖維材料在自行車行的應用主要表現在碳纖維的應用，早年歐洲國家將碳纖維經過纖維編織機編織成自行車架的骨架，然后將其放置在模腔內，將樹脂注人其中再進行升溫加壓固化，左后將其表面進行光整處理，采用這種方法制成的碳纖維整體車架具有重量輕，剛度大的特點，后來碳纖維整體車架成形工藝的發展成熟，使得這種車架逐漸在歐洲市場獲得了很高的地位。比較著名的就是KESTREL車架和PR09000整體式車架"。后來，人們又開始研發設計質量更輕的車架，碳纖維車架的強度由于金屬材料車架，同時質量比鋁合金的質量還輕，也具備了良好的抗空氣阻尼的性能。

4.3籃球

研究人員采用抗潮濕的混雜微纖維復合材料代替傳統的皮革制成了一種新型的籃球，它不是傳統籃球的八塊橢圓形板材構成，而是采用兩塊對接交叉板構成，使

用時這種籃球手感更好，防滑性能好，即使是由汗水粘在球面也能很好的被球員掌控"，這種新型纖維的成功研發使用也題體現了混雜纖維優勢互補的特點。

4.4滑雪板

在滑雪運動中，運動員的成績以及生命安全都與滑雪板息息相關，因此滑雪板的制作和選材尤為重要。隨著時代大發展，滑雪板的材料也發生了許多變化，最開始滑雪板全是用的木材，雖然木材學材料價格便宜且質量較輕，但是它容易受潮而變形，再后來人們用金屬、玻璃纖維代替木材，一直到如今的碳纖維及混雜纖維。設計方面，滑雪板也已經進行了許多的優良改進，使其不易打滑圖，速度也更加穩定，轉彎更加靈活。新型纖維的使用也是的滑雪板更能適應不停雪質的雪地，在維護上面也更為方便。

5結語

當今社會，體育競技水平在不斷的提高，對于運動員所使用的體育器材的要求也是越來越高，進而歲體育運動器材所使用的材料的性能要求就越來越高。體育器材根據體育運動的內容而有不同的要求，并且同一體育器材其不同部位也是有不同的要求的，例如既要求良好的抗沖擊性能，有要求高的剛度強度，既要求良好的動態性能又要求良好的靜態強度，因此傳統的單一類纖維材料是很難滿足這些要求的，為了達到這些要求，新型纖維材料的研發應用是必不可少的，絕大多數的新型纖維材料都是具有優越的機械物理性能的，如高模量，高強度，良好的尺寸穩定性，抗老化，化學性能穩定以及耐疲勞，耐高溫等等，新型纖維的這些優異性能對體育器材的研發制作起到了非常重要的作用，隨著世界科學技術的發展，為新型纖維的設計研發提供了良好的發展環境，使其在體育運動器材領域的影響越來越深遠。

參考文獻

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