高分子材料力學(xué)性能對現(xiàn)代田徑運動器械的影響研究

王 劍，汪 超

（1 榆林師范學(xué)校，陜西榆林 719000；2 榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西榆林 719000）

田徑運動是一種由徑賽、田賽和全能比賽組成的運動體系統(tǒng)稱。田徑運動包含了大量的走、跑、跳等運動形態(tài)，是一項有益身心健康且開展難度較低的運動模式。隨著現(xiàn)代田徑運動的飛速發(fā)展以及群眾生活水平的不斷提升，越來越多高新材料不斷與田徑運動器械制備領(lǐng)域相結(jié)合，以高分子復(fù)合材料為代表的高力學(xué)性能材料正逐漸開始取代傳統(tǒng)的木材、金屬及其合金材料，成為田徑運動器械加工與制備領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分［1-3］。然而，并不是所有田徑項目中所使用的運動器械都可以用高分子復(fù)合材料代替，鉛球、鐵餅等對器材自身重量有標準化要求的田徑運動器械并不可以使用高分子材料代替，高分子材料在田徑運動中多見于各類型跑鞋、撐桿跳桿、新型運動場地等領(lǐng)域。得益于自身優(yōu)越的綜合性能，高分子材料在與田徑運動結(jié)合以后，極大地影響了田徑運動的發(fā)展。本文主要分析高分子材料的力學(xué)性能對田徑運動器械的影響，旨在從細節(jié)的角度分析田徑運動對高分子材料的依賴性，為田徑運動器材加工領(lǐng)域發(fā)展提供幫助。

1 高分子材料力學(xué)性能分析

1.1 田徑運動器械常用高分子材料

并非所有田徑運動器械都可以使用高分子材料替代。某些運動項目對使用的器械有固定的質(zhì)量、尺寸等要求，如投擲類運動所使用的鐵餅、鉛球、鏈球等，由于大多數(shù)高分子材料的密度均較低，因此這一類田徑運動器械并不能使用高分子材料替代。高分子材料在田徑運動領(lǐng)域應(yīng)用，多集中在對運動器械有“輕質(zhì)、高強、高耐疲勞度”等需求的領(lǐng)域，例如各類型運動鞋、撐桿跳跳桿、標槍以及體育場地等。田徑運動常用的高分子材料有碳纖維、芳綸、聚氨酯等。表1所示為田徑運動器械常用高分子材料分類情況。

表1 田徑運動器械常用高分子材料[4-6]Table 1 Polymer materials commonly used in track and field sports equipment

不同的田徑項目所使用的常用器械差距較大，從不同類型的運動鞋到跨欄、鐵餅、標槍以及其他比賽、訓(xùn)練所使用的物品均可被劃入田徑運動器械范疇。最常見的田徑運動器械包括運動員穿著的衣物、鞋襪、防護用具等，其他比較有針對性的器械則包括撐桿跳運動使用的撐桿、緩沖墊，各類型運動所使用的不同規(guī)格的跑道等。

1.2 高分子材料力學(xué)性能優(yōu)劣勢

1.2.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是一種利用碳纖維、環(huán)氧樹脂等材料進行復(fù)合加工制備而成的高分子復(fù)合材料。碳纖維本身是一種極為優(yōu)秀的輕量化材料，其密度僅1.77 g/cm3左右，僅為一般常用鋼材料的25%左右，比田徑器材領(lǐng)域常用的鋁材密度更低［7］。碳纖維復(fù)合材料不僅質(zhì)量輕，其力學(xué)性能更為優(yōu)異，在抗拉強度、彎曲強度、剪切強度等力學(xué)性能方面的表現(xiàn)遠優(yōu)于一般金屬材料或其他結(jié)構(gòu)材料。常見的碳纖維復(fù)合材料如T300系列碳纖維復(fù)合材料的抗拉強度便可以達到3500MPa以上，拉伸模量可達230GPa，高性能的T1000級碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能更加突出，遠超一般金屬材料。此外，碳纖維復(fù)合材料還是一種具有各向異性的高分子復(fù)合材料，材料在垂直/平行纖維方向上的力學(xué)性能會表現(xiàn)出較大的差異性，因此，改變碳纖維纖維方向的排布能夠有效改變碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，具有較強的可設(shè)計性。

然而，碳纖維材料同樣具有某些缺陷。例如，碳纖維材料的耐磨性要劣于一般的鋁及其合金材料。部分體育裝備生產(chǎn)商利用碳纖維材料制作成釘鞋的鞋釘，能夠一定程度降低釘鞋的整體質(zhì)量。然而，由于碳纖維材料在長期的摩擦過程中會更快地破損，僅能作為某些不需要劇烈跑動的田徑項目釘鞋中，例如跳高等。

1.2.2 芳綸復(fù)合材料

芳綸及其復(fù)合材料的密度同樣較低，一般僅在1.44g/cm3左右，比一般的碳纖維材料還要低［8］。芳綸及其復(fù)合材料的力學(xué)性能極為優(yōu)異，其強度和模量高于一般玻璃纖維和碳纖維；芳綸復(fù)合材料纖維的在0°角度的材料拉伸強度更高，也同樣優(yōu)于一般的碳纖維材料；此外，芳綸復(fù)合材料的阻尼性更強，在某些需要提供緩震性能的體育防護器具、護墊等器材中具有較強的應(yīng)用價值，能夠為運動員提供較好的緩震性能。

芳綸復(fù)合材料在纖維垂直方向的拉伸性能較差，即壓縮性能較差，通常壓縮強度僅能達到拉伸強度的20%左右，在進行加工時往往需要將芳綸纖維與其他纖維進行混合，彌補材料的缺陷。此外，芳綸復(fù)合材料抗紫外線照射的能力較差，在長期紫外線照射后其材料強度通常會大幅下降。因此，利用芳綸復(fù)合材料制備而成的防護器具等需要外部包覆一層防紫外線的布料等，以維持其材料強度。

1.2.3 聚氨酯材料

聚氨酯材料的分子鏈線性結(jié)構(gòu)，為材料提供了較高的強度、伸長率、回彈性等優(yōu)勢。同時材料的耐磨性、耐老化性、耐低溫性能也較為優(yōu)異。利用聚氨酯材料制成的部分體育服飾能夠很好地為運動員提供保暖功能。同時，聚氨酯材料還是一種極佳的田徑跑道主體材料。由于聚氨酯材料具有良好的回彈性，利用聚氨酯、黑膠粒等材料制備而成的塑膠跑道能夠為運動員提供較好的足部回彈，配合釘鞋能夠使運動員在蹬地時的回饋力度更強。目前聚氨酯跑道已經(jīng)逐漸全面取代了傳統(tǒng)的渣土跑道，成為我國學(xué)校、體育場館等場地制備的主要材料。

聚氨酯材料制備而成的體育器材普遍耐高溫性能較差，在溫度過高時材料的拉伸強度、撕裂強度等力學(xué)性能會嚴重下滑。此外，聚氨酯材料盡管具有較好的彈性，但滯后損失卻較大，面對頻繁、多次變形以后會產(chǎn)生較多的熱量最終影響材料的性能。因此，通常暴露于自然環(huán)境下的聚氨酯體育器材普遍需要進行打孔設(shè)計或利用透氣型結(jié)構(gòu)改善器材的內(nèi)部環(huán)境。

1.2.4 尼龍

尼龍即聚酰胺纖維，具有機械強度高、韌性好、抗拉和抗壓強度高等優(yōu)勢。尼龍材料的比拉伸強度高于一般的鋼材或鋁合金材料，比壓縮強度與鋁合金等金屬材質(zhì)相當，盡管材料本身的剛性不如鋁合金等金屬材質(zhì)，但尼龍材料本身的抗拉強度與屈服強度極為接近，遠高于一般的ABS材料，能夠很好地吸收外部沖擊、應(yīng)力振動等。此外，尼龍材料的耐疲勞性優(yōu)勢極為突出，在經(jīng)過多次反復(fù)屈折以后仍然能夠保證100%的原有材料機械強度，在應(yīng)用于運動服飾、部分器材的握持部分能夠保證長期使用不變形、不損壞［9］。

尼龍材料的缺點也較為明顯，材料本身吸水性較差、尺寸的穩(wěn)定性也較差，單獨利用尼龍材料加工而成的服飾在運動員大量出汗以后通常會帶來較差的舒適度。同時材料本身的抗靜電性能也不好，現(xiàn)在多將尼龍與其他纖維材料復(fù)合進行某些器械、服飾的加工。

2 高分子材料力學(xué)性能對田徑運動器械的影響

2.1 對田徑運動鞋的影響

田徑運動鞋分有釘款、無釘款等。如圖1所示是NIKEAir Zoom Victory專為800至10000米競速賽跑設(shè)計研發(fā)的一款有釘跑鞋。該跑鞋除鞋釘采用金屬材質(zhì)以外，其余鞋體部分全部采用高分子材料加工而成。鞋跟部分采用Nike ZoomX泡棉材料制備而成，這種泡棉材料是一種利用聚氨酯發(fā)泡制備而成的彈性結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量僅有一般減震橡膠材料的1/3，但其彈性更好，能夠為運動員提供超過85%的能量反饋，極大地節(jié)省了中長跑運動員在足部著地時的能量損耗。大底及中底采用了大量的碳纖維板，通過貫穿前后腳掌的設(shè)計提升了跑鞋整體剛性和抗扭轉(zhuǎn)性能［10］。同時，由于碳板本身剛性極強，能夠在運動員跑步過程中以運動員拇指球為支點，在運動員前腳掌著地大拇指使勁向下壓時，利用碳板的剛性把腳后跟翹起來，改變因為緩震材料過軟帶來的能量回饋不夠的情況，配合前后腳掌兩個單獨的氣囊，給運動員帶來出色的緩沖保護，實現(xiàn)更平穩(wěn)的過渡，同時讓雙足不失掌控力。此外，在該跑鞋的中底處還加入一層薄薄的Nike ZoomX泡棉，嵌在碳板和地面之間，并對整個系統(tǒng)作了相應(yīng)調(diào)整，以減少能量損失，增強回彈力。鞋面采用Nike Flyknit的升級材料Nike Atomknit。實現(xiàn)了長跑釘鞋設(shè)計模式的完全轉(zhuǎn)變。

圖1 NIKE品牌某款有釘跑鞋F(xiàn)ig. 1 A Nike running shoe with nails

2.2 對撐桿跳桿的影響

撐桿跳桿是撐桿跳運動必備的運動器械。原始的撐桿跳桿多以竹子為基材，由于竹子長期暴露于自然環(huán)境下以后會逐漸變脆，競技過程中斷桿現(xiàn)象頻發(fā)。隨著現(xiàn)代材料科技的不斷發(fā)展，玻璃纖維、碳纖維撐桿逐漸發(fā)展成熟。由于碳纖維材料本身具有剛性大、彈性模量大等力學(xué)性能優(yōu)勢，在應(yīng)用于撐桿跳運動以后，極大地提升了運動員將動能轉(zhuǎn)化為重力勢能的比例。作為一種“能量轉(zhuǎn)換器”，碳纖維桿明顯提升了撐桿跳運動的平均水平。目前，使用碳纖維桿開展撐桿跳運動的男子世界記錄已經(jīng)達到了6.18m，女子世界記錄也已經(jīng)達到了5.06m，遠遠超過了竹竿時期，也優(yōu)于玻璃纖維桿時期。同時，由于碳纖維桿的整體剛性更強，也有效降低了玻璃纖維時期的“斷桿”風(fēng)險，增強了撐桿跳運動的安全性。

2.3 對防護器具的影響

跳高、撐桿跳運動中需要利用防護墊等對運動員提供保護。以前傳統(tǒng)的防護墊多采用橡膠外部包覆皮革制成，在長期戶外使用下容易開裂、老化、變硬，一旦遇水或者被汗液浸濕以后會變得非常光滑。運動員一旦掌握不好著地角度，很容易因為防護墊的問題而發(fā)生危險。因此，體育器械生產(chǎn)廠家開始利用POE空氣纖維等作為內(nèi)充成分，以聚氨酯纖維為外部包裹物制備出新型的防護墊。這種防護墊由于內(nèi)外部高分子材料彈性好、化學(xué)穩(wěn)定性強且具有一定的吸水性，能夠較好地為運動員提供防護，同時也不容易因水分的存在而出現(xiàn)打滑。

3 結(jié)語

高分子材料普遍具有比一般木材、金屬材料更為優(yōu)異的力學(xué)性能。隨著田徑運動的飛速發(fā)展，利用高分子材料制備而成的田徑運動鞋、器械以及防護器具等，逐漸成為影響田徑運動發(fā)展的重要因素。本文總結(jié)了當前田徑運動器械常見高分子材料力學(xué)性能優(yōu)劣勢，對高分子材料如何影響田徑運動發(fā)展進行了案例分析。但是，田徑運動受高分子材料影響的領(lǐng)域較多，本文無法一一論述，需要在今后的研究中逐漸完善。