新材料對運動競技水平的提升及其在體育裝備產業中的發展研究

王宏

摘要：隨著現代材料科學的飛速發展，使用新材料加工而成的體育裝備已經逐漸成為保護運動人員人身安全、提升裝備使用人員運動體驗以及提高職業運動員競技成績的重要推動力。文章基于新材料對運動競技水平的提升以及新材料在當前體育裝備產業中的應用前景進行了綜合論述。文章首先對新材料技術在競技體育中的應用以及2012年至今我國體育產業增加值與增速進行了數據統計，以表明體育產業的發展對新材料的需求與要求的提高;其次對新材料體育裝備在體育競技過程中對競技水平的提升進行了分析，以羽毛球、冰球、田徑裝備等為例進行了詳細解讀，以證明體育產業及競技體育對新材料的依賴性;最后對化工新材料在體育裝備產業中的發展及瓶頸等進行了預測與分析。

關鍵詞：新材料;體育;競技;性能提升;體育裝備產業

中圖分類號：T0050.4⁺3 文獻標識碼：A 文章編號：1001—5922（2021）01—0146—05

0引言

隨著現代體育的發展以及全球經濟水平的普遍提升，體育產業已經逐漸成為國家或地區經濟產業體系中的支柱產業。體育產業覆蓋范圍極廣，從體育競技賽事、體育教育到體育裝備生產、體育用材料制備等，基本覆蓋了現代國民經濟體系中第一至第三產業。據有關部門統計，2019年美國體育產業產值達到4600億美元，約占總產值的6%;2019年我國體育產業總產值由2017年的接近2萬億元人民幣增長到近2.6萬億元人民幣，其中體育裝備業的貢獻率超過60%。可見，對于新材料在體育裝備產業中的應用，已經具備了較為扎實的市場基礎。

通過對體育裝備所使用的材料進行優化，從而達到提升競技成績、保護運動員人身安全等目的由來已久。最典型的例子如鯊魚皮泳衣、碳纖維球拍、非牛頓流體護具等，均是利用高科技、新材料從而達到提升運動競技水平、降低運動過程中的能量消耗或更好地為運動員提供安全防護等目的。自進入21世紀以來，高科技新材料在體育裝備產業，尤其高端體育裝備生產和制備過程中的應用越來越廣泛，由此帶動了一大批體育運動愛好者以及職業運動員采用新材料體育裝備代替了傳統的體育運動裝備。新材料的出現，大大提升了體育裝備的專業性，人們對新材料體育裝備的認可程度越來越高。

1概述

1.1新材料技術對競技體育發展的作用

1.1.1直接應用

在專業體育運動員的日常用品及運動器材的生產制造中可將新材料技術直接與其融合。目前現有的非金屬纖維（Nonmetallie fiber）、碳纖維（Carbon Fi.ber）、硼纖維（Boron fiber）、新陶瓷材料（New ce.ramie Material）等科技新材料都已加人體育用品的生產制造中。如在運動器械中的使用：自行車、跳高桿、球桿、羽毛球拍、等。

1.1.2間接應用

新型科技材料在體育場及體育設備中的應用也間接性的推動了體育運動的發展。如游泳池消毒設備，對水質監控有一定的需求，在與新型科技材料融合后，能夠大幅度提升其性能和質量，同時也提高了運動員在使用時的安全系數。促進了運動員潛力的發揮，并增強運動員的自我認同感，最終取得更好的運動成績。

1.2新材料技術在當代體育裝備產業中的應用前景

在1990年成功舉辦北京亞運會后，我國的體育產業隨之蓬勃發展。為促進國民的體育消費，國務院于2014年印發了《關于加快發展體育產業促進體育消費的若干意見》，使我國體育行業由舉國體制逐步轉向全民健身，進一步拓展了體育市場化規模。2015年，我國成功申辦2022年冬奧會時承諾將會實現“3億人上冰雪”。隨即，在2016年國家體育總局、教育部、國家發展和改革委員會聯合印發了《冰雪運動發展規劃（2016-2025年）》，旨在重點推動冬季運動大眾化，進一步促使我國體育產業的消費升級。2018-2022年我國體育產業增加值與增速預測詳如圖1所示。

2新材料體育裝備在體育競技過程中對競技水平的提升

化學新材料幫助體育裝備的性能大幅度提高，著重將材料多功能化、材質輕薄化、結構穩定化，使運動裝備的實際應用更貼切運動員的需要。下文將結合典型案例來分析化學新材料應用的重要性。

2.1羽毛球拍及球線

羽毛球拍經過四個時期的發展變化（木質拍、金屬拍、鈦合金拍、碳材料拍），現階段實際應用較多的主要為鈦合金拍和碳材料拍（后文簡稱為碳拍）。碳拍的整體結構為中空結構，其外框架主要應用的材料為樹脂基增強碳纖維、多層石墨烯增強樹脂等復合型材料，碳纖維為T200至T300級。框架內主要使用發泡聚烯烴材料進行填充，進一步增強球拍整體框架的韌性及彈性。碳拍的拍柄和拍桿與框架使用的化學新材料較為相似，手膠部分使用了大量的聚氨酯彈性體（Polyurethane elastomer），進一步增強碳拍使用過程中的舒適度與摩擦力。化學新材料實現羽毛球拍的輕質化。碳拍中應用的化工新材料如圖2所示。

羽毛球拍中球線從最原始的羊腸線發展到尼龍纖維線和復合絲線，綁線的磅數也從原始階段的89N左右升至約124.6N以上。這就使得對球拍穿線孔的要求逐步提升，聚氨酯樹脂（Polyurethane）、聚酯樹脂（polyester resin）已成為穿線孔的主要化工新材料，提高了穿線孔的回彈性能，并在擊球時削弱球線和穿線孔之間力的相互作用，能夠提高球線的使用壽命，減少球線磨損度。羽毛球拍質及性能改善過程詳如表1所示。

根據上文對羽毛球拍4個階段的研究對比，對其耐用度、舒適度、擊球速度等性能進行了分析對比（如圖3所示）。碳拍因制造過程中加入了大量的化工新材料，所以在彈性、舒適性等方面均占有優勢，但在耐用度方面還是不及金屬拍和木拍，原因在于碳拍框架所使用的復合材料抗撞擊性能略低于鈦合金和竹質材料，在受到較強力的作用時極易斷裂。

我國因人口眾多，以及國家政策的扶持，一躍成為世界最大的羽毛球拍消費國，且生產量穩步上升。2019年，我國累計消耗碳纖維約500t，環氧樹脂增強碳纖維約900t。隨著全民健身的理念逐漸深人人心，我國羽毛球拍的銷量依舊會持續性增長，同步帶動碳纖維復合材料市場的不斷擴充。

2.2冰球運動裝備

化工新材料在冰雪極限運動裝備中也常常得以體現與應用。以冰球裝備為例：冰球運動員在賽事前，進行的多為身體多抗的體能訓練，所以對各類裝備具有的抗沖擊性能要求較高，且裝備也應同時具備良好的緩沖性能及柔韌性。像護肘、護肩、護膝等主要都是由發泡聚烯烴制造而成，且外層包有聚氨酯和PTT纖維，達成了對韌性和緩沖性的兩大需求。護目鏡則選用有機玻璃制成，充分體現了高透明度且不易結霧的特點。冰球桿由1層化工材料制成，由內向外來說：第2層的環氧復合發泡材料，削弱了球桿與球撞擊時的震動。第2層是低密度聚酰亞胺材料，這種化工新材料有助于提高球桿與桿頭的柔韌性。第3層是碳纖維層，主要用來增強球桿的彈性。第4層則用碳纖維樹脂，作為整體球桿的外殼。

2.3田徑運動裝備

田徑賽事中所應用的裝備也與化工新材料糅合多年。以標槍和撐桿跳高為例，在與化工新材料結合后，賽事成績大幅度提升。標槍制造所使用的原料在經歷木、竹、鋁合金、聚氯乙烯后也進人了碳材料階段，由此種復合型材料生產出的標槍具有良好的重心穩定性，使同一批次生產出的標槍重心極少發生偏移，從而提高標槍的飛行性能。撐桿跳賽事用桿由竹竿、木桿逐步發展為玻纖增強復合材料桿，此化工新材料提升了桿的彈性，隨后帶動了運動員技術動作的不斷演變，催生出更加優異的成績。標槍和撐桿跳高的男子世界紀錄變化如圖4所示。

2017年我國各類化工新材料的用量為4000t左右，基本可以實現材料自給自足，大多都用于田徑裝備，如各類跑鞋、跳鞋等。近些年來，我國各類體育項舉行頻繁，其中田徑類更是備受喜愛，在2017年我國舉辦了各類馬拉松賽事近1200場次，這很大程度上刺激了消費，促進了運動鞋、運動服等上的消費。將來，人們的消費水平不斷提高，高端運動品牌的消費將會增長，這將會對化工新材料的需求帶來增加。

3新材料在體育裝備產業中的發展預測與瓶頸分析

3.1發展預測

全球范圍內，各種化工新材料已經慢慢被應用于各類體育設備當中，而其應用也已經經歷了十幾年的發展歷程，已經形成了獨立的產業體系。當前，在我國化工新材料的生產應用也在逐步提升;2017年在體育領域，我國共消費各類化工新材料130t左右，其中包含服裝和鞋類，不包含場館建設類;在化工新材料的消費中，體育裝備正在凸顯其重要地位。

在體育裝備中，化工新材料最早被應用于競技體育中，因為化工新材料需要具有附加值高的特點才能應用于體育裝備的制造。隨著科技的發展，技術也越來越成熟，再加上裝備的價格也有所下降，化工新材料就慢慢應用于大眾體育裝備中。化工新材料在體育裝備中的應用可以劃分為如圖5所示金字塔圖，大眾體育中普及的化工新材料是位于金字塔最底層的，處于在大眾體育裝備中推廣的是位于金字塔中間部分的。因為價格原因，距離大眾體育比較遠的是位于金字塔頂端的，這些材料只用于高端體育設備中，是普通大眾所消費不起的。在將來，在體育裝備中化工新材料的應用會逐漸發生變化，位于金字塔頂端的部分材料可能會下沉到中間，而位于金字塔中間的可能會移動到低端，會逐漸呈下沉趨勢。由此判斷，金字塔中間層的材料具有較好的成長空間，位于金字塔頂端的化工新材料段時間內不會有較好的發展空間，短期內成長性不凸顯。

當前，我國體育裝備生產中已經運用了大量的金字塔底部的化工新材料，中層的一些化工新材料目前位于推廣階段，我國目前對于金字塔頂端的化工新材料處于產能很少甚至不能生產的階段;金字塔頂端的高端化工新材料基本靠進口，但是也只是集中用于國防、軍事這些重大領域，體育生產裝備幾乎沒有應用。隨著科技的不斷發展，我國的化工新材料生產和使用性能也在逐步提升高，慢慢的在我國國產體育裝備中也會逐漸應用到金字塔頂端的化工新材料。將來，預計化工新材料將會在我國的體育生產裝備中有巨大的成長;預計到2025年，PE、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等已經可以成熟運用了，而且在體育生產裝備中也將會逐步應用到金字塔頂端的化工新材料，還可以進一步優化材料的應用結構，進而促進新材料的消費增長。

3.2發展瓶頸

因為我國的體育裝備業起步比較晚，與發達國家相比較我國體育裝備中應用化工新材料比較滯后，因此應用和推廣化工新材料在體育生產裝備中依然比較困難，主要體現在一下機構方面。

首先，我國銷售的體育裝備中國國產產品的產量低，進口產品產量大，這就導致化工新材料的使用受到一定程度的影響。如：在我國暢銷的十大羽毛球拍中，我國自主品牌僅占有兩家，其銷售額更是少的可冷;在冰雪運動裝備中，也只有冰鞋、滑雪板和頭盔自主化比較高，其他的還是依賴于進口。形成這種局面的原因主要有兩個，一是當前我國還提供不了金字塔頂端的材料用于高端運動裝備生產中，二是我國的消費者更偏愛進口產品。因為我國生產化工新材料的能力有限，導致在體育裝備應用中發展緩慢，進而也導致了消費不高、化工新材料和體育裝備業之間的關系發展緩慢。

其次，消費結構受產品價格的影響嚴重。而體育裝備的價格受化工新材料的影響，所以這就導致大眾體育消費比較低，而應用化工新材料比較多的高端運動裝備消費低。如表2所示，2019年，我國體育裝備的消費結構中，鞋服占到65.7%，球拍等外置裝備僅占到22.6%，所以在應用化工新材的服裝和鞋子中大多是大眾產品，在高端產品中也只是在外置裝備和職能裝備中應用化工新材料;我國目前消費結構總體偏低，高端產品的消費更是比較低，就這更不利于化工新材料在體育裝備上的應用和推廣。

最后，目前我國化工新材料在體育裝備中應用困難的另一個因素是科技實力欠缺。目前存在的問題是：技術種類不豐富、生產技術落后等。所以一些裝備材料依然需要從國外進口，目前自給自足還是一個問題。還有，我國沒有形成化工材料在體育裝備應用中的有效體系，研發和應用沒有實現一體化，企業沒有專門的生產研發團隊，還的將材料交給研究院和高等院校，有可能研發的材料和應用不太相符，應用上就會存在困難。所以，我們需要從應用出發去生產材料，要建設研發和應用一體化體系。

從上述問題可以得出：目前我國還沒有形成一種直供模式，就企業化工材料的生產和體育裝備的生產。但是在發達國家，這種模式已經比較常見了化工企業和體育專業企業已經具有比較成熟的供應模式。不僅是這種供應關系，這種體系也慢慢形成了。這種模式受市場影響比較小，比如：在一些其次行業，生產廠將汽車和賽車業務分開獨立（BMW、雷諾）。我國的化工新材料想要自給自足，也需要去建立這種供應模式，這更有利于化工新材料的研發和推廣。

4結語

綜上所述，文章通過對新材料在體育裝備產業中的應用歷程進行分析，得到了新材料對運動競技水平、體育裝備性能等的影響結果。此外，本文通過對新材料在體育裝備產業中的發展預測與瓶頸分析，認為未來我國體育產業新材料的應用將會在服役性差等問題進行優化，從而在提升我國新材料體育裝備市場競爭力的同時，進一步提高我國運動員的綜合競技水平。