高力學(xué)性能高分子材料與競技體育融合發(fā)展分析

李 萌

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，陜西西安710089）

高分子材料是一種由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括碳纖維、聚氨酯、橡膠等。在材料技術(shù)高速發(fā)展的時代，高分子材料與其他材料一樣在人類生產(chǎn)生活、生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。競技體育指的是在個人或群體體力、心智等充分挖掘與發(fā)展的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)造“更快、更高、更強”的杰出運動成績?yōu)槭滓繕说囊豁椷\動過程。競技水準的提高與運動員所用到的體育設(shè)備，如設(shè)備如撐桿跳運動中的撐桿、自行車運動所使用的車輛、各類型運動鞋類等的性能高度相關(guān)。隨著高機械性能高分子材料與競技體育融合程度的提升，高分子材料對競技體育的影響越來越深［1］。為此，本文對二者之間的融合發(fā)展路徑進行了解讀，旨在理順高分子材料的性能優(yōu)勢，促使更多性能優(yōu)異的高分子材料應(yīng)用到競技體育項目中。

1 高機械性能高分子材料性能應(yīng)用特征

1.1 抗張強度

抗張強度，特指材料的抗拉強度、拉斷強度，因此又被稱作拉伸強度，是表述競技體育裝備、設(shè)施所使用的高分子材料機械性能的一項重要指標。通常情況下抗張強度反映了材料的斷裂抗力，該值越高則材料越不易發(fā)生拉斷，在應(yīng)用于競技體育器材如滑雪板、帆船桅桿時，該器材或部分零部件的整體性越強，越不容易出現(xiàn)斷裂［2］。抗張強度計算公式如下：

其中，S 表示抗張強度，單位為kN/m；F 表示平均抗張力，單位為N；LW表示某種金屬或非金屬材料試樣的橫截面積，單位為mm。常見高分子材料的抗張強度見表1。

與一般金屬材料如鋁合金3A21（ 抗拉強度＜167MPa）相比，表1 所示的常見高分子材料顯然并不具備充分的抗張強度優(yōu)勢，因此部分學(xué)者逐漸開始將各種高分子材料進行復(fù)合加工，試圖得到性能更加優(yōu)越的高分子復(fù)合材料。蔣雯［3］對一種聚四氟乙烯（PTFE）材料為基體的“三元高分子復(fù)合材料”的磨損率、抗張強度以及抗沖擊強度的變化規(guī)律進行了分析，認為PTFE材料力學(xué)性能的將會隨填料總數(shù)（除基體樹脂外的其他材料）的增加而極速下降，在填料質(zhì)量百分比達到34%之后，PTFE 材料綜合力學(xué)性能降速逐漸放緩。孟志新等［4］利用化學(xué)氣相沉積等表面處理方法，對連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的拉伸性能進行了實驗分析，認為在碳纖維復(fù)合材料表面沉積熱解炭會降低碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能和強度穩(wěn)定性。可見，高分子復(fù)合材料想要達到最佳的抗張強度需要根據(jù)不同材料的性質(zhì)進行不同的質(zhì)量配比。當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料在最佳配比狀態(tài)下的抗拉強度已經(jīng)超過了280 Mpa、比抗拉強度160；彈性模量22GPa，比彈性模量124［5］。高分子復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能已經(jīng)達到或超過了一般合金材料。

表1 常見高分子材料抗張強度Table 1 Tensile strength of common polymer materials

1.2 抗彎強度

抗彎強度指的是競技體育中運用高分子材料抵抗彎曲不斷裂的能力，主要運用于對陶瓷及其他高分子復(fù)合材料部分脆性材料的強度的考察［6］。三點式測試抗彎強度計算公式如下：

其中，R 表示抗彎強度，單位kN/mm2；F 表示破壞載荷，單位kN；L、b、h 分別表示跨距、寬度以及厚度，單位㎜。根據(jù)不同的高分子材料抗彎強度（應(yīng)力-應(yīng)變）曲線，可以將高分子材料分為六大類（圖1）。

圖1 根據(jù)抗彎強度曲線劃分高分子材料Fig. 1 Polymer materials are divided according to the curve of flexural strength

其中，硬而脆的高分子材料在不斷加大應(yīng)力的作用下，所形成的應(yīng)變力非常小，且硬而脆的高分子材料在達到屈服點前出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，呈現(xiàn)高模量、高抗張強度和沖擊強度較差等特征；當(dāng)硬而強的高分子材料處于應(yīng)力持續(xù)加強的條件下，產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)變，并在屈服點的周圍出現(xiàn)了斷裂。同時，在應(yīng)力的影響下形成較高的模量與抗張力；強而韌的高分子材料具有強抗張與高模量的應(yīng)用特征，在承受應(yīng)力不斷增強、達到屈服點的情況下，沒有出現(xiàn)斷裂情況，且專列延伸率較大，最后出現(xiàn)的斷裂情況符合韌性斷裂的特征；軟而韌高分子材料的優(yōu)勢特征有低模量、斷裂強度高、屈服點較低、延伸率較大等，能夠承受較大的應(yīng)力，最長應(yīng)用于對形變有較高要求的部件制備中；軟而弱高分子材料具有模量低、屈服點低的特征，但是在斷裂延伸方面有較好的表現(xiàn)，此類高分子材料常用于天然橡膠的制備中；弱而脆的高分子材料通常屬于低聚物，不能直接引入器材的加工過程中。

1.3 抗沖擊強度

抗沖擊強度能夠直接反映某種體育器械所用到的高分子材料的抵抗沖擊力［7］。測量高分子復(fù)合材料抗沖擊強度的方法主要有簡支梁沖擊、懸臂梁沖擊和落球沖擊等。三種測試方法可以根據(jù)測試試樣規(guī)格、沖擊方式以及缺口類型等拓展出無缺口沖擊、低溫沖擊、高溫沖擊等測試方法。利用簡支梁沖擊、懸臂梁沖擊進行高分子材料抗沖擊強度測試時的公式可用下式表示：

其中，a 表示抗沖擊強度，單位為kJ/m2；A 表示高分子材料試樣吸收的沖擊量，單位J；b、d 分別代表試樣寬度和厚度，單位㎜。在競技體育領(lǐng)域一些常見的高分子復(fù)合材料懸臂梁缺口抗沖擊強度見表2。

表2 體育領(lǐng)域常見高分子復(fù)合材料抗沖擊強度Table 2 Impact stregth of common polmer composites in sports fieldmp

除表2 中提到的材料外，TPE 中的具有代表的品種SBS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種競技運動鞋類產(chǎn)品的制作工藝中并取代了大部分橡膠。該類型材料具有耐磨、防裂、防軟和抗滑性，對于某些對鞋類抗震性能、防滑性能要求較高且屬于劇烈運動的項目如足籃排球等具有較高的性能優(yōu)勢。同時，該材料較一般硫化橡膠更輕，顏色也更加鮮艷。

2 高機械性能高分子材料對競技體育的影響分析

2.1 非牛頓流體

羅筱［8］對非牛頓流體的概念進行了總結(jié)并對非牛頓流體在體育防護用具中的應(yīng)用情況進行了分析，認為非牛頓流體的“剪切增稠”是其最重要的特征，與其他纖維材料進行復(fù)合以后，能夠大幅提升體育運動防護裝備的防刺、抗低速沖擊性能。利用非牛頓流體材料加工而成的籃球鞋（以匹克“態(tài)極”為代表）與一般籃球鞋相比，具有更好的自適應(yīng)特征，在運動員處于低速狀態(tài)下時，鞋底能夠為運動員提供柔軟而舒適的腳感，隨著運動員呈現(xiàn)不同的運動狀態(tài)如跑、跳、急停時，鞋子的中底材料又能夠為運動員提供更大的彈性模量，此時鞋子的響應(yīng)、回彈和支撐性能更佳。利用非牛頓流體加工而成的“態(tài)極”系列籃球鞋鞋墊能夠為運動員帶來具有普通鞋墊8倍的緩震效果，有效減少了回彈力對運動員膝蓋的傷害。

2.2 高性能碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料具有高于一般金屬、木質(zhì)材料的比強度、比模量，自1970 年碳纖維商品化以來，越來越多的體育項目開始使用碳纖維材料用于某些高強度器材或高結(jié)構(gòu)損害、高承受能力部件的加工中。如在F1 賽車運動中大量應(yīng)用輕量化車輛部件、碳纖維安全頭盔等挽救了許多生命。高性能碳纖維復(fù)合材料主要競技運動產(chǎn)品類型見表3。

表3 碳纖維復(fù)合材料主要競技體育項目Table 3 Main copetitive common polmer composites

2.2.1 高爾夫運動

碳纖維復(fù)合材料加工而成的高爾夫球桿是當(dāng)前高爾夫競技體育使用的主要新材料。該類型球桿質(zhì)量較金屬桿、木桿更輕，在既定體能和功率下能夠獲得更高的球桿速度、擊球速度，擊發(fā)準確度更容易控制。2018 年10月Graphite Design 公司推出了Tour AD 系列高爾夫球桿，該球桿采用了東麗T1100G 碳纖維預(yù)浸料和先進的納米合金技術(shù)，在原有一般碳纖維球桿的加工基礎(chǔ)上未增加多余纖維用量，但大幅提高了碳纖維高爾夫球桿的結(jié)構(gòu)剛度。該產(chǎn)品已經(jīng)成為美國公開賽（US OPEN）及高端體育代表產(chǎn)品。

2.2.2 網(wǎng)球拍

網(wǎng)球拍最初由木材或金屬材質(zhì)加工而成，由型球拍容易損懷同時不能承受較高的網(wǎng)線張力，加上運動員在使用該類型球拍擊球時震動過于厲害，因此對于控球性要求更高的網(wǎng)球運動員而言，這種硬度較低的材料已經(jīng)逐漸無法滿足其對更高競技水平的追求。碳纖維網(wǎng)球拍具有較輕的重量，在力學(xué)方面能夠帶來更強的抗沖擊性，同一運動員使用過程中能夠獲得較金屬拍更好的擊球手感。碳纖維球拍中的樹脂基質(zhì)量占比約在38%～57%，樹脂含量較高會使得球拍的性能下降。

2.2.3 桅桿

在設(shè)計現(xiàn)代水上運動中的桅桿時，需要主要考慮桅桿在該項目中的承受壓縮應(yīng)力，同時桅桿需要向帆船運行的反向有一定的弧度，對桅桿的航行性能進行優(yōu)化。因此，桅桿對向前的彎曲應(yīng)力要求較高，一旦彎曲應(yīng)力超過材料的自身承受范圍很容易發(fā)生折斷。碳纖維材料具備重量輕、硬度大、彎曲能力強等特性，因而在現(xiàn)代桅桿加工中，已經(jīng)逐漸將碳纖維復(fù)合材料取代了原有的木質(zhì)、金屬質(zhì)桅桿。碳纖維復(fù)合材料桅桿能夠增大船的扶正力矩、減小競技過程中船體的縱搖，在大幅提升運動員競技水平的同時幫助運動員獲得更加令人舒服的航行速度。

2.3 聚氨酯

聚氨酯面料即氨綸面料，基于聚氨酯材料有較高的機械強度、柔軟性等特征，利用聚氨酯材料加工而成的氨綸面料具有優(yōu)良的防風(fēng)、防水、耐磨以及抗老化性能，在于其他材料進行混合以后可以用于加工泳衣、登山服、耐高壓潛水服等。由于一般聚氨酯面料加工而成的衣服透氣性能通常不佳，因而部分廠家采用底膠（聚對苯二甲酸乙二酯甲氨綸）+ 面膠涂層（聚碳酸酯型氨脂膜）的方法對氨綸面料進行加工，得到了能同時做到透氣、速干、防水、高彈性的新型面料，被廣泛應(yīng)用于職業(yè)游泳競技體育中，幫助運動員提升了運動舒適性、降低了游泳時對人體及衣物的阻力，有助于運動員提升競技成績。

3 結(jié)語

綜上，本文針對高機械性能高分子材料與競技體育融合發(fā)展進行了分析，首先對高機械性能高分子材料性能與優(yōu)勢進行分析，認為與一般體育器械用材料相比，高分子材料在抗張強度、抗彎強度、抗沖擊強度等方面具有顯著優(yōu)勢，其次以非牛頓流體材料、碳纖維復(fù)合材料以及聚氨酯材料為例，對高分子材料與競技體育的融合發(fā)展進行了詳細解讀。