合成纖維的特性分析及在體育器材中的應用優勢

常任琪

摘 要： 介紹了合成纖維材料的分類及其在體育領域中應用的優越性，闡述了目前利用合成纖維材料改善運動器材的典型案例，總結了合成纖維材料的先進性與在體育領域中的發展前景，合成纖維材料不僅可以滿足高剛度的要求，還具有良好的抗沖擊性。它既有高的靜態強度，又有良好的動態性能，如疲勞性能、衰減率等。說明了合成纖維材料因其優越性能在體育運動領域應用相當廣泛，能夠改善運動器材綜合性能。

關鍵詞： 體育器材；新型合成纖維；特性分析；優勢

中圖分類號： TQ342+.74

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0079-04

Characteristic analysis and application advantage of synthetic fiber materials in sports field

CHANG Renqi

（Xi'an University，Xi'an 710061，China）

Abstract： This paper analyzes the classification of synthetic fiber materials and their advantages in the field of sports，expounds the typical cases of using synthetic fiber materials to improve sports equipment，and summarizes the advanced nature of synthetic fiber materials and the development prospects in the field of sports.Synthetic fiber materials can not only meet the requirements of high stiffness，but also have good impact resistance. It has both high static strength and good dynamic performance，such as fatigue performance，decay rate and so on. It shows that synthetic fiber material is widely used in sports field because of its superior performance，and can improve the comprehensive performance of sports equipment.

Key words： sports equipment;novel synthetic fibers;characteristic analysis;advantage

體育是現代科技的窗口，它代表了一個國家的科技水平。高科技材料在運動器材發展過程中發揮著重要作用，競技體育發展方向也指向更加科學先進的訓練規劃與器材制備，這使運動器材制備及相關材料研發受到鼓舞[1]。由于合成纖維本身具有質量輕、強度高、易加工、耐沖擊等優勢，合成纖維的質輕與強度比合金、塑料等材料更好[2]。目前碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、超高模量聚乙烯纖維、芳綸等高性能纖維材料得到廣泛應用。因此，合成纖維材料的開發和應用為體育產業的技術進步和完善奠定了堅實的基礎[3]。

1 合成纖維材料的特性及應用領域

1.1 碳纖維

碳原子在一維中的鍵合排列產生超高強度纖維，通常稱為碳纖維（CF）[4]。CF的直徑大多在5～10 mm內。碳纖維具有出色的性能[5]：高拉伸強度、高抗壓強度、高彈性模量、低熱膨脹以及高導電性和導熱性等特性。由于這些優異的性能，碳纖維被用于航空和汽車行業的復合材料、體育用品、風力渦輪機葉片等。碳纖維密度低于鋼，比鋼具有更高的比強度，幾乎可以制造出具有優異結構性能的任何形狀的產品[6]。為了在商業應用中使用CF，對它們進行徹底的表征至關重要，以便通過單獨使用CF或在復合結構中使用CF來確保所需的工作標準（例如，用于電氣或機械應用等）。碳纖維的特性及應用如表1所示。

碳纖維復合材料的性能突出。用它制成的造型裝置的綜合性能具有重量輕、比強度高、比模量高、抗疲勞、耐磨、抗振動吸能、熱膨脹系數小、尺寸穩定、設計自由度大等優良性能，是任何材料都無法比擬的[7]。用于生產這些體育娛樂設備的碳纖維占世界碳纖維總消費量的35%。 在設計和良好的加工成型等方面，使其成為理想的運動器材更新新材料，并已廣泛用于生產各種運動器材[8]在體育娛樂設備中，碳纖維復合材料（CFRP）主要用于制作高爾夫球桿、網球拍、釣魚竿、羽毛球拍、滑雪板、自行車、弓箭、乒乓球拍、賽艇、游艇、槳、冰曲棍球、棒球棒等[9]。

1.2 玻璃纖維

玻璃纖維主要由二氧化硅（SiO 2）組成，類似于窗玻璃，直徑約為3～25 μm[10]。玻璃纖維通常用于增強聚合物。玻璃棉是另一種玻璃纖維，長約10～50 mm，纏結成大塊的棉狀，用于隔熱和隔音[11]。玻璃纖維的生產成本低于碳纖維，這是一個優勢。碳纖維是黑色的、高度各向異性的和導電的，而玻璃纖維是透明的、各向同性的和電絕緣體[12]。

玻璃纖維在沒有基質的情況下用作過濾器和用于隔熱和隔音的纖維毯。玻璃纖維在航空航天、汽車、船舶、體育和休閑用品、建筑和土木工程等各個領域用作聚合物的增強材料。主要優勢之一使用玻璃纖維來增強聚合物的最大優勢在于其高性價比[13]。以膜形式應用玻璃纖維的一個例子是由聚四氟乙烯（PTFE）涂層玻璃纖維制成的建筑膜，用于體育場和機場的天花板。

1.3 硼纖維

硼纖維非常堅硬，具有很高的抗拉和抗壓強度[14]。纖維直徑比較大，抗壓縮性能好。在惰性氣體中，高溫性能良好。在空氣中超過500 ℃時，強度顯著降低。環氧樹脂基質通常與硼纖維一起使用。硼纖維用于修復破裂的鋁制飛機蒙皮，因為硼的熱膨脹率接近鋁，不存在電偶腐蝕的可能性。與大多數其他增強材料相比，它們的直徑相對較大（100～140 mm）。如果母材表面具有輪廓形狀，則硼纖維難以使用。由于硼纖維比許多類型的碳纖維更昂貴并且對人員可能是危險的[15]。因此它們的使用受到更多限制。

硼纖維與其他纖維性能比較如表2所示。由于硼纖維具有高強度、高模量等優良特性，隨著科技的發展，逐漸可用于增強樹脂和金屬材料[16]。隨著商業化規模的生產，硼纖維逐漸被用于航空航天、體育娛樂用品、工業用品等領域。

1.4 碳化硅纖維

碳化硅基纖維主要用于增強金屬和陶瓷，有許多基于碳化硅的商業纖維，有許多通過聚合物熱解制成的多絲碳化硅基纖維[17]。碳化硅纖維與其他氧化物纖維相比，具有更低的原子擴散、更高的斷裂韌性、更低的密度和更高的熱導率，即使在高溫下具有很高的結構穩定性。這表現在極強的抗氧化性和良好的高溫強度[18]， 這使得它們可用作高溫復合材料中的纖維增強材料。有兩種不同類型的碳化硅纖維：基體纖維和精細陶瓷纖維[19]?；诨牡睦w維通常具有鎢絲或碳絲作為基材。精細陶瓷纖維基于碳化硅，直徑約為15 μm，由聚碳硅烷前體熱解制成[20]。

1.5 超高模量聚乙烯纖維

超高模量聚乙烯纖維主要用于增強聚合物和防彈保護，與碳纖維、凱夫拉爾（Kevlar-49）纖維等纖維對比如表3所示。其強度更高，質量更輕，化學性能更好穩定性，具有很強的化學惰性，酸、堿和有機溶劑對強度幾乎沒有影響[21]；優良的耐候性，經l 500 h鞣制后，纖維強度保持率達80%，抗紫外線性能優良、耐低溫性也很好。[FL）]

2 ?合成纖維材料的優勢及常見器材中的應用

2.1 合成纖維材料

2.1.1 抗沖擊性

相關研究表明，籃編織合成纖維的抗沖擊性最好，合成纖維在受沖擊過程中表現出良好的抗沖擊性，例如可制作防彈衣[22]。在高速沖擊下，合成纖維周圍一小部分區域，該區域很快消散，并且對織物的能量吸收能力沒有影響，因為大部分能量被纖維吸收，遠離影響區域。特別適合在運動器材上應用。

2.1.2 良好的彈性性能

在從組成材料特性確定單向纖維增強復合材料的彈性常數的近似方程研究中，樹脂性能是橫向模量和剪切模量的主要因素，但它們可以通過硼等高模量纖維得到改善[23]。硼纖維增強復合材料的實驗結果表明縱向和橫向模量與理論有合理的一致性。

2.1.3 強抗壓性能

對45根玻璃纖維增強聚合物（GFRP）鋼筋進行了壓縮測試，以確定它們的極限強度和楊氏模量。鋼筋外徑為15 mm（#15鋼筋），無支撐長度從50到380毫米不等。開發了一種壓縮測試方法來進行實驗。與鋼筋的無支撐長度直接相關的3種破壞模式被確定為壓碎、屈曲以及屈曲和壓碎組合[24]。破碎區域代表GFRP鋼筋在受壓混凝土中受限時所經歷的破壞模式。實驗結果表明，#15 GFRP鋼筋壓碎失效的極限抗壓強度約為極限抗拉強度的50%。

2.2 合成纖維材料常見器材

運動員和運動器材之間的互動質量在許多體育活動中起著重要作用[25]。隨著當今材料科學的飛速發展，運動器材也隨之發生變化。各國致力于開發新的運動器材以滿足市場需求。但近年來，越來越多的運動器材在生產過程中添加了纖維，而且一些運動器材的主要材料已經轉變為合成纖維[26]。因此，合成纖維材料在運動裝備方面開啟了新的征程。

2.2.1 羽毛球拍

羽毛球拍是我們的傳統運動器材。我國羽毛球拍的年產量約為470萬支，羽毛球的普及范圍相當廣泛。中國市場上的羽毛球拍框架大部分是鋁合金材質，其次是碳鋁和鍍鋼。隨著碳纖維在運動器材領域的應用越來越普及，如今市場上主要銷售的是碳素球拍，而現在，全碳素羽毛球拍已經上市。羽毛球桿是受力的主要部件。而且在我們打羽毛球的時候，它會受到各種力量的影響。因此，在設計制造過程中，應充分考慮縱向抗彎強度、抗彎剛度和抗拉剛度。由于CFRP具有高比強度和高比模量，我們可以使用高強度的筋線制作出輕巧、堅固、不變形的球拍框架。同時，這種球拍和拍桿具有良好的彈性和阻尼特性，可以使球具有長的擊球和回球距離和高精度的擊球位置。此外，CFRP還可用于制造羽毛球的羽毛桿。其性能與天然羽毛幾乎相同，但耐用性比天然羽毛強得多。

2.2.2 弓箭

弓箭是近代競技體育的一項非常重要的項目。隨著材料科學的發展，世界上最好的弓是碳纖維增強塑料材料制品（簡稱CFRP），使弓臂能夠承受約50 kg/mm2的彎曲應力，使箭具有最高的初速和最長的射程。同時，玻璃鋼本身的減振性能和船首的減震器、配件等，使得在射擊的那一刻發生的瞬態振動能夠迅速停止。如此一來，除了射箭有所改善外，球員的肘部也可以避免震動的影響。拉弓放松，要求弓臂具有較高的抗疲勞強度。CFRP在疲勞性能方面首屈一指，是玻璃鋼和金屬材料無法比擬的。因此弓臂的壽命。此外，碳纖維復合材料還可用于制作箭，尤其是制箭，輕薄、硬而強、偏轉小、初速高、命中率高。CFRP也可以作為制造瞄準具、穩定器、剎車片等配件的材料。

2.2.3 自行車

碳纖維復合材料車架于1986年首次在環法自行車賽中使用。隨著最近復合材料車架研發的增長，碳纖維復合材料在自行車行業變得越來越流行，其中輕質和高剛度是最重要的。制造出的兼具碳纖維的高性能特性和亞麻纖維的低成本和可再生性的自行車車架，與碳復合材料框架相比，所有這些都是以較低的成本實現的，同時保持40%的生物含量。車架材料的機械測試結果表明，制造的車架具有與市售的碳、鈦和鋁車架相似或更高的剛度和強度，同時具有出色的減振性能。與碳復合材料框架相比，所有這些都是以較低的成本實現的，同時保持40%的生物含量。

2.2.4 滑雪板

現在，木制滑雪板已經被淘汰，取而代之的是基于夾層結構的多元復合材料，其中碳纖維、凱夫拉纖維（KF）、硼纖維（BF）、碳化硅纖維（SF）和各種滑雪板的晶須完善了他們的表現。這些高端滑雪板，重量適中，滑行平穩、快速，轉彎靈活，使用壽命長。

2.2.5 跳高撐桿

在撐桿跳高中撐桿會出現很大的變形，并且具有在整個撐桿上儲存和返回能量的高潛力，因此跳高運動員和撐桿之間的相互作用強烈影響著撐桿的性能。使用玻璃纖維桿為整個拱頂提供了一種將動能轉化為勢能的有效方法。跳馬運動員通過在特定的能量模式中分配動能損失和勢能增益來達到一定的高度。另外，采用碳纖維增強塑料并利用特定的纏繞成型技術制作而成的撐桿有較強的彈性和強度，在運動員取得較好成績的同時， 既能保持撐桿的完整性，又能確保運動員的安全[7]。

2.2.6 賽艇

在完成劃船時，盡量減輕負擔，保證劃船不受高速運動的沖擊，是非常重要的。單纖維增強復合材料難以滿足賽艇綜合性能的要求。于是，人們大膽改進設計，采用碳纖維、玻璃纖維、混合纖維復合材料來滿足要求。碳纖維有一個典型代表，它是由吉林碳纖維生產廠和南京玻璃纖維研究所生產的，具有“混合效應”的性能。但是劃船問題依然存在，比如船體重量超標，抗沖擊能力不夠，彈殼碎裂是缺點之一。隨著芳綸纖維的引入和應用，設計了CF/KF更高水平的混合纖維復合劃船方案，克服了這種混合纖維的不足，使劃船得到有效改善。本實用新型將混合纖維應用于賽車，具有物理和力學性能的優點，同時人們可以獲得獨特的組合，這是使用單一類型的纖維不容易實現的。

3 結語

隨著世界科技和運動器材的發展，運動器材需要科技支撐已成為共識。“生命在于運動，運動需要科學”已經牢牢烙印在我們的腦海中。合成纖維材料是一種新型國際性發展材料，從優良的特性到可回收利用環節中均有可開掘的科學價值與應用價值，合成纖維材料不僅可以滿足高剛度的要求，而且具有良好的抗沖擊性。它既具有高的靜態強度，又具有良好的動態性能，如疲勞性能、衰減率等。說明了合成纖維材料因其優越性能在體育運動領域應用相當廣泛，能夠改善運動器材綜合性能，使得體育事業向現代化、舒適化、輕便化、科學化方向發展。這意味著合成纖維材料在運動器材中發揮著不可替代的和日益重要的作用。因此，合成纖維材料在體育領域中器材的開發和應用中有著非常廣闊的前景。

【參考文獻】

［1］ ?潘利利.面向新材料技術推動體育運動水平發展研究[J].粘接，2020，43（8）：72-75.

[2] 李珈騏.現代新材料技術與體育運動水平的提高[J].粘接，2019，40（7）：130-132.

[3] 商從政.合成材料面層場地檢測管理系統設計[D].武漢：武漢體育學院，2022.

[4] 吳志勇.新型纖維在體育器材中的應用[J].體育科技文獻通報，2012，20（4）：4-8.

[5] 李豫.新型纖維材料在體育器材中的應用及性能研究[J].材料保護，2020，53（10）：179-180.

[6] 王利娥，劉奮山.碳纖維增強塑料在體育運動器材中的應用研究[J].合成纖維，2021，50（11）：4-8.

[7] 張亞東.碳纖維復合材料的回收與再利用技術研究[J].廣東化工，2022，49（10）：26-27.

[8] 冉旭，鄒豪豪，李乾，朱巍巍.鍍層碳纖維增強銅基復合材料的制備及其性能研究[J].長春工業大學學報，2022，43（Z1）：332-340.

[9] 孫少杰.碳纖維復合材料（CFRP）在汽車輕量化中的應用[J].粘接，2022，49（7）：76-79.

[10] ?王昊康.玻璃纖維增強復合材料力學性能研究進展[J].合成纖維，2022，51（11）：40-43.

[11] 陳榮源，趙凌鋒，劉欣，等.玻璃纖維增強增韌回收聚丙烯復合材料的制備與性能研究[J].塑料科技，2022，50（9）：20-24.

[12] 廖敏會，楊大祥，周洋，等.玻璃纖維布基多層復合固態電解質的制備及其性能[J].儲能科學與技術，2022，11（10）：3090-3099.

[13] 趙志強，劉忠，徐艷.玻璃纖維及其復合材料研究進展[J].天津造紙，2021，43（4）：15-21.

[14] 劉銀.氮化硼纖維微觀結構與力學性能研究[D].重慶：重慶大學，2021.

[15] 姜晨旭.氮化硼纖維的細觀有限元建模及力學性能的預測[D].重慶：重慶大學，2020.

[16] 齊學禮，高惠芳，李茹等.氮化硼纖維抗水蝕性研究[J].現代技術陶瓷，2018，39（4）：280-286.

[17] 宿金棟.碳化硅纖維及其復合材料的制備與性能研究[D].北京：北京科技大學，2020.

[18] 王鈺婷.變溫環境下碳化硅纖維導熱性能研究[D].青島：青島理工大學，2021.

[19] 蔡興瑞.碳化硅纖維增韌碳化硅復合材料微觀建模和宏觀模量預測[D].成都：西南交通大學，2019.

[20] 向宇，余金山，王洪磊等.碳化硅纖維高溫抗氧化性研究進展[J].硅酸鹽通報，2022，41（9）：3234-3242.

[21] ?王爽芳，王卉，王發陽.超高分子量聚乙烯纖維模量影響因素研究[J].高科技纖維與應用，2022，47（2）：38-43.

[22] 張玉波，王利娟.新型高科技合成纖維性能優勢及其對泛運動領域影響分析[J].粘接，2021，47（7）：4-9.

[23] 劉悅銘.合成纖維在現代裝置藝術中的應用研究[D].西安：西北大學，2018.

[24] 朱亮亮.福建地區合成材料運動場地面層中固體原料的檢測與分析[J].福建建材，2019（7）：20-21.

[25] 許春燕.體育場館建筑的材料力學性能分析[J].建筑結構，2022，52（24）：159-162.

[26] 俞森龍，相恒學，周家良，等.典型高分子纖維發展回顧與未來展望[J].高分子學報，2020，51（1）：39-54.