碳纖維復合材料在體育產(chǎn)品中的應用
發(fā)布時間：2020-01-09 21:06:23 點擊率：
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，越來越多的現(xiàn)代人走進各類運動場所放松身心，而現(xiàn)代競技體育的發(fā)展在要求體育專家講求科學訓練的同時，還要重視對體育器材的改進與研制。碳纖維復合材料的比強度愈高，構件自重愈?。槐饶Ａ坑?，構件的剛度愈大。因此充分利用碳纖維復合材料的特性，可提升諸多體育項目的成績。
一、復合材料應用到體育中的優(yōu)勢
01質量輕
像撐竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車、滑雪板、皮劃艇等靠人力來使其運動的體育器材，人們希望其質量越輕越好；即使是靠人力以外的其他動力來使其運動的器材，如賽車、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質輕為好。
02高比強度和高比模量
碳纖維復合材料的比強度（單位質量的強度）和比模量（單位質量的模量）分別是杉木的4倍和3倍、梧桐木的3．4倍和4．4倍、鋼材的7～1
2倍和3—5倍。突出的比強度、比模量，使其可用來制造輕而強和剛而堅的各種制品，特別適合于制作體育器材。
03疲勞強度大
碳纖維結構穩(wěn)定，在其制成復合材料經(jīng)過百萬次循環(huán)應力疲勞試驗后，其強度保留率仍可達60％，而鋼材為40％，鋁材為30％。耐疲勞強度高，使得體育器材的使用壽命更長。
04熱膨脹系數(shù)小
碳纖維的熱膨脹系數(shù)在室溫時幾乎為負值，當溫度為200～400℃時，其熱膨脹系數(shù)為零；當溫度低于1
000℃時，其線膨脹系數(shù)為1.5×10曲K。
05破損安全性能好
在碳纖維復合材料中，由于基體的作用，在沿纖維方向受拉時，各纖維的應變基本相同。已斷裂的纖維由于基體傳遞應力的結果，除斷口處不發(fā)揮作用外，其余絕大部分纖維依舊發(fā)揮作用。個別纖維的斷裂不會引起連鎖反應和災難性的急劇破壞，因而破損安全性能很好。
06阻尼性能好
碳纖維復合材料的聚合物基體具有黏彈性，在基體中和界面上有微裂紋和脫黏的地方還存在著摩擦力，在振動過程中，黏彈性和摩擦力使一部分動能轉換為熱能。因此，其阻尼比鋼和鋁合金大，若采用特定措施還可以使阻尼增大。
07設計自由度大
復合材料成型技術的發(fā)展使得設計自由度大大提高。纖維復合材料的一個顯著特點是各向異性，通過改變纖維的鋪疊方向和方式，局部增強或增強某一方向的受力狀況；可根據(jù)選手的年齡、性別、技藝水平、體力強弱等不同情況加以設計，大限度地發(fā)揮體育器材的使用效果，這是一般各向同性的金屬材料難以實現(xiàn)的。
二、碳纖維復合材料在體育器材上的應用實例
01撐竿
撐竿跳高在屆奧運會中就被正式吸收為比賽項目，當時的撐竿由山胡桃木制成，結實沉重，缺乏彈性、儲能本領差的特性讓選手的動能大多被浪費，所以跳出的成績只有3．3
m。后來竹竿取代木質撐竿，其中空質輕有利于助跑，彈性有利于能量的轉化。20世紀60年代，運動員開始使用尼龍撐竿，不久尼龍撐竿又被玻璃纖維竿所代替。撐竿材料的不斷改革，使世界紀錄被屢屢新刷。如今撐竿發(fā)展到了第四代，玻璃纖維和尼龍已經(jīng)被性能更優(yōu)越的碳纖維復合材料取代，而且可根據(jù)撐竿受力的差異來設計不同部位的材質，使整體性能。的碳纖維撐竿可以保證撐竿既柔韌結實又不會斷裂或扭結，它可將運動員持竿快速助跑的動能部分轉變成撐竿的彈性變形能，當撐竿被壓彎到大弧度后，這部分彈性變形能再釋放出來，轉變成運動員的勢能，幫助運動員騰空躍起，飛越橫桿。
02高爾夫球桿
20世紀30年代的鋼桿是美國標準高爾夫球桿，1972年美國首先采用碳纖維復合材料制成球桿，到1998年碳纖維高爾夫球桿數(shù)量大幅度超過鋼桿。高爾夫球桿由握把、桿身、桿頭組成，用碳纖維復合材料制成的高爾夫球桿可減輕重量約10％～40％，能顯著增加球桿的力學性能，也使得制造商更以控制產(chǎn)品的動態(tài)性能，這非金屬或其它單一材料所能達到的。根據(jù)動量守恒定理，當高爾夫球桿的總重量一定時，頭重桿輕便于提高揮桿速度，可使球獲得較大的初速度。此外，碳纖維復合材料具有高阻尼特性，可使擊球時間延長，球被擊得更遠。
03網(wǎng)球拍
網(wǎng)球拍的發(fā)展趨勢是大型化、輕量化。目前世界上高、中檔網(wǎng)球拍大多采用碳纖維復合材料制成。大型網(wǎng)球拍需要采用重量輕、比強和比模大的碳纖維復合材料來制造，它可以承受比木質拍框更強的網(wǎng)線拉力，以保證擊球時不變形。減振阻尼性好的碳纖維復合材料，在賦予運動員舒適感的同時也使網(wǎng)球獲得了較大的初速度。
04弓箭
在射箭項目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成績的重要途徑，而改善其用具性能的主要方法就是提高弓和箭的比彈性。當今世界的弓是碳纖維復合材料系列產(chǎn)品，由碳纖維復合材料制作的弓臂(弓片)可承受50
kg／Hun2的彎曲應力，賦予箭大的初速度和遠的射程。開弓射箭，一張一弛，碳纖維復合材料的耐疲勞特性是玻璃鋼和金屬材料所無法比擬的，因而所制弓臂的使用壽命更長。
05自行車
隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，自行車不僅是交通和運輸工具，還具有健身、旅游、競賽等多種功能。自行車的車構架、前叉部件、車輪、曲軸及座位支架等均使用碳纖維復合材料制成，不僅使自行車外觀更具美感，同時也賦予了車體良好的剛性和減震性能。車體重量進一步下降，騎乘舒適性更好。
三、復合材料在體育中應用的意義
現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展對體育產(chǎn)生了的影響，當今世界的體育競爭實質上是科學技術的競爭，而先進、新穎的材料則是提高體育科學技術水平的重要條件之一。如今，在不少運動項目中，人的體能和精神的激發(fā)都幾乎達到了極限，勝敗往往只在毫厘之間，僅靠強健的肌肉和良好的競技狀態(tài)已很難獲勝，運動員們越來越多地要依靠科學家的智慧，拼的是裝備。人們期望通過運動器材的升級帶動運動員挑戰(zhàn)極限，可以這么說，現(xiàn)代奧運會已不再純粹是比哪個國家的運動員跑得更快、跳得更高、舉得更重，在運動員與運動員較量的背后，是國家與國家科技發(fā)展與人心凝聚的綜合大比拼。奧運會上的各項紀錄不僅僅是人類突破生理極限的體現(xiàn)，也是科技創(chuàng)新在體育中的集中展現(xiàn)。
來自：蒂森新材料
