新型高性能纖維材料在網球運動中的影響研究

張 峰

(陜西中醫藥大學,陜西咸陽 712046)

網球運動是較早接觸高性能纖維復合材料的體育競技品類之一。1953 年英國鄧祿普公司首次嘗試將硫化纖維加強片應用于網球球拍的肩部位置,是網球球拍加工領域對復合材料使用的首次探索；1969 年美國某公司開始嘗試利用玻璃纖維作為球拍的拍框、拍柄等的主要使用材料；1975 年,第一支完全由玻璃纖維復合材料加工制備而成的網球球拍問世,該球拍機械強度高于木材、阻尼性能比金屬拍好；20 世紀80 年代后期,碳纖維復合材料開始逐漸應用于網球球拍加工領域,隨著其與金屬鈦材料的結合,碳纖維復合材料逐漸成為高端網球拍制備領域的最優選擇[1]。本文以碳纖維、芳綸纖維等新型高性能纖維材料為例,對材料在網球運動中的應用、性能優勢等進行綜述,旨在為網球運動與新型材料加工制備工藝、方向等提供借鑒。

1 新型高性能纖維材料分類

新型高性能纖維及復合材料通常指的是某類具備特殊物化結構、性能遠超一般材料以及具備多用途等優勢的纖維材料及其與樹脂進行加工所得的復合材料[2]。新型高性能纖維及復合材料通常在斷裂伸長率、耐腐蝕性、材料成型強度等方面具有顯著優勢,同時又兼具質量輕、易加工成型等特點,被廣泛應用于國防、民用等多種領域。高性能纖維材料基本分類情況如圖1 所示。本文著重針對當前網球領域應用較多、發展潛力較大的新型高性能纖維材料進行分析。

圖1 高性能纖維材料基本分類Fig.1 Basic classification of high-performance fiber materials

2 高性能纖維材料網球領域性能優勢

2.1 碳纖維

碳纖維材料是一種在2000～3000 ℃高溫環境下對部分有機纖維進行碳化反應,最終在惰性氣體環境下實現基體碳化而形成的纖維狀材料[3]。一般碳纖維材料無法直接應用于某些領域,通常均需要進行復合加工后才能使用。碳纖維復合材料則是以碳纖維為增強材料,以環氧樹脂、金屬、陶瓷等為基體,通過兩種材料進行加工得到的復合材料。其中,碳纖維環氧樹脂復合材料具有質量輕、易成型、耐久性強等優勢,在體育運動等領域得到廣泛使用。網球運動應用碳纖維復合材料多集中在網球拍制備、網球鞋碳板等領域。其中,碳纖維網球拍是當前所有種類網球拍中性能最為優異的一種。

2.2 芳綸纖維

芳綸纖維誕生于20 世紀60 年代,是一種芳香族聚酰胺纖維。芳綸纖維最早屬于冷戰軍備競爭過程中的重要航天材料和戰略物資,之后芳綸逐漸用于民生領域,延伸出多種不同性能和種類的芳綸纖維,如對位芳綸、間位芳綸、含甲基取代基等間位共聚芳綸以及對位共聚芳綸等[4]。其中,間位芳綸纖維及其復合材料屬于新型高性能復合纖維材料領域中最耐高溫的材料之一,能夠保持200℃左右仍不出現老化；對位芳綸纖維及其復合材料則屬于高模量、高強度材料,具有遠高于一般纖維材料的比強度、比模量等,對位芳綸纖維及其復合材料拉伸強度是同截面玻璃纖維和高強尼龍工業絲的2～3 倍。芳綸材料在網球領域的應用多集中在運動防護裝備、運動鞋底加工、網球拍穿線以及與碳纖維復合加工球拍等領域。

2.3 高性能聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維又稱高性能聚乙烯纖維、高強高模聚乙烯纖維,是一種由分子量最高可達500 萬的聚乙烯所紡出的纖維,是當前高性能纖維領域比強度和比模量最高的纖維種類之一[5]。高性能聚乙烯纖維具備的性能優勢主要包括:①高比強度、高比模量,其比強度(2.8～4 N/tex)是同等截面鋼絲的10 倍,比模量(91～140 N/tex)僅次于特級碳纖維。②纖維密度較低,約為0.97～0.98g/cm3,遠低于一般金屬材料且可浮于水面。③斷裂伸長率高,能夠具備較高的抗外力沖擊能力和抗切割性能。高性能聚乙烯纖維工藝復雜、價格較高,當前在網球領域的應用多集中在網球拍、防護用具等領域。

2.4 聚醚醚酮纖維

聚醚醚酮纖維又稱PEEK 纖維,是一種由聚醚醚酮樹脂在高溫熔融狀態下,通過紡絲制得的一種全芳香族纖維。由于聚醚醚酮纖維中兼具醚鍵和酮鍵,因而材料具備了優異的耐高溫、耐摩擦、耐化學腐蝕等性能,其UL 溫度指數最高可達250℃,通過纖維增強后的聚醚醚酮纖維材料強度最高可達210MPa。同時聚醚醚酮纖維材料還具備優良的拉伸強度、模量、伸長率等。利用聚醚醚酮纖維加工而成的網球拍線具有超耐磨、高彈性等優勢。

2.5 粘膠纖維

粘膠纖維是粘纖的全稱,是一種以植物中提取的植物纖維素為原材料,通過材料的堿化重塑纖維分子再與二硫化碳進行反應后溶解于稀堿液得到的一種粘膠纖維[6]。體育領域最廣為人知的粘膠纖維是美德兩國廠家共同開發的outlast 纖維,該纖維也被成為“智能空調”纖維。網球運動利用outlast 纖維最多的領域集中在網球球服制造環節。利用outlast 纖維制備的網球服,能夠為運動員提供上萬個具備能量轉換功能的相變材料模塊,在運動員大量出汗狀態下,衣物中的outlast 纖維能夠通過不斷地吸收和釋放能量來調節溫度,進而達到減少運動員過熱、流汗現象的目的。

3 復合纖維高性能材料對網球運動影響分析——以碳纖維球拍為例

3.1 功能與結構影響

網球運動的普及以及運動水平的普遍提升,使專業及業余領域網球運動參與人員對球拍性能的要求越來越高。在職業網球領域進行球拍設計時,必須充分考慮職業選手對球拍“甜區”的需求,男子網球選手超高的力量、超高的操控性能要求,女子職業網球選手更舒適的擊球感覺、更輕便的質量需求等；網球愛好者領域則多需要考量球拍的抗扭穩定性、價格、耐用性等。復合材料的出現和性能優化,為網球球拍的功能設計提供了豐富的可選擇性。碳纖維、芳綸等復合材料具備優異的加工工藝、較低的密度、極高的比強度比模量等,可以利用復合材料加工制備出結構更加復雜、單位體積重量更輕、阻尼性能更強、擊球手感更好的網球拍。這是傳統木質材料或金屬材料無法比擬的優勢[7]。因此,隨著復合材料在網球球拍領域應用逐漸成熟,復合球拍的硬度、強度逐漸提高,由此帶動了球拍拍弦的磅數的提升,當前很多職業網球運動員已經將球拍拍弦磅數增加到了70磅左右,擊球球速得到了極大提升。在2011 年克羅地亞與德國隊的戴維斯杯一場雙打比賽中,卡洛維奇在第四盤的一記發球達到251km/h,打破了美國人安迪·羅迪克249km/h的前紀錄。

從結構角度分析,碳纖維等材料的易加工成型性能也能夠幫助設計師實現更多復雜的球拍結構,更好地提升球拍外觀多樣性[8]。以碳纖維復合材料網球球拍為例。碳纖維網球球拍加工工藝的首個流程是制作網球球拍專用碳纖維預浸布。該專用碳纖維預浸布通常根據不同的產品型號和生產成本規劃碳纖維與環氧樹脂的質量占比。通常性能較好的碳纖維網球球拍碳纖維含量應超過60%,環氧樹脂含量應不高于40%。但不論何種比例的碳纖維預浸布,在進行半硬化加工時,均可以通過模具進行模壓成型,然后按照實際的球拍尺寸、設計需求進行裁剪后排迭。從球拍材料制備和定型角度分析均更為靈活,只要模具設計合理,理論上能夠能夠生產制備各種外觀和構造的網球球拍。網球球拍的拍喉是最能體現復合材料這一優勢的區域,如圖2 所示為某幾種不同品牌/ 型號碳纖維網球球拍拍喉對比示意圖。這種靈活的結構設計在木質材料中絕對無法實現,即便金屬材料其實現成本與加工難度也較高。

圖2 不同品牌/型號碳纖維網球球拍拍喉對比Fig.2 Comparison of different brands/models of carbon fiber tennis balls

3.2 制備工藝影響

復合材料良好的可加工性能,使碳纖維網球球拍的加工成型工藝得到了較大的擴充,結合碳纖維復合材料不同的成型工藝(圖3),能夠將不同結構、不同型號以及不同生產成本的碳纖維復合材料網球球拍生產工藝進行更加合理的規劃和選擇。

圖3 碳纖維復合材料不同成型工藝Fig.3 Different forming processes of carbon fiber composite

當前碳纖維網球拍加工領域利用較多的材料成型工藝為手糊成型工藝以及模壓成型工藝[9]。充分利用模具生產靈活性,在制備碳纖維網球拍時,根據不同的產品型號生產對應的模具,將復合材料分別放入半個模具中,在高溫環境下通過熱處理使兩個模具中的碳纖維材料定型。碳纖維手糊成型工藝能夠將碳纖維進行不同層數、不同纖維角度加工。由于碳纖維纖維方向不同,能夠獲得不同力學強度碳纖維復合材料,因而最終能夠獲得力學性能、剛性以及彈性等均不同的碳纖維網球球拍。

3.3 市場與經濟影響

碳纖維材料具有顯著的性能優勢,能夠大幅提升網球球拍綜合性能。然而需要注意的是,盡管碳纖維材料本身并沒有明顯性能缺陷,但利用碳纖維材料進行網球球拍制備過程中的加工成型工藝較為復雜,良品率較低。因而碳纖維網球球拍加工生產效率并不高。而這也是導致碳纖維網球球拍價格居高不下的主要原因之一。同時,盡管利用碳纖維復合材料加工而成的球拍具有質輕、強度高、耐用性強等優點,使碳纖維網球球拍使用壽命遠遠超過一般金屬或木質球拍。但由此帶來的“一只球拍用十年”等問題,又反而影響了碳纖維網球球拍的產品銷售,不利于碳纖維網球球拍產業的發展。因此,在對市場與經濟的影響方面,碳纖維材料對于網球球拍制造廠商而言是把“雙刃劍”。

4 結語

本文對新型高性能材料在網球運動中的應用和影響進行綜述,詳細分析了碳纖維復合材料對網球球拍功能與結構、制備工藝以及市場與經濟等的影響。隨著網球運動普及程度的逐漸提升,參與者對球拍、球鞋等網球運動裝備的性能需求越來越高。本文所作研究旨在為網球運動發展以及網球運動設備加工制備領域提供理論借鑒。