一、碳纖維復(fù)合材料用于體育器材的優(yōu)勢(shì)

　　1、質(zhì)量輕

　　像撐竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車(chē)、滑雪板、皮劃艇等靠人力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的體育器材，人們希望其質(zhì)量越輕越好；即使是靠人力以外的其他動(dòng)力來(lái)使其運(yùn)動(dòng)的器材，如賽車(chē)、帆船、摩托艇等，在相同的條件下也以質(zhì)輕為好。碳纖維復(fù)合材料在此方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其密度為1．76一1．80 g／cm3，所制復(fù)合材料密度為1．50～1．60 g／co，而鋼材約為7．87 g／cm3、鋁材2．7 g／cm3、鈦材4．5 g／cm3。顯然，碳纖維復(fù)合材料要比金屬材料輕得多。

　　2、高比強(qiáng)度和高比模量

　　碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度(單位質(zhì)量的強(qiáng)度)和比模量(單位質(zhì)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(qiáng)度、比模量，使其可用來(lái)制造輕而強(qiáng)和剛而堅(jiān)的各種制品，特別適合于制作體育器材。

　　3、疲勞強(qiáng)度大

　　碳纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在其制成復(fù)合材料經(jīng)過(guò)百萬(wàn)次循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)后，其強(qiáng)度保留率仍可達(dá)60％，而鋼材為40％，鋁材為30％。耐疲勞強(qiáng)度高，使得體育器材的使用壽命更長(zhǎng)。

　　4、熱膨脹系數(shù)小

　　碳纖維的熱膨脹系數(shù)在室溫時(shí)幾乎為負(fù)值，當(dāng)溫度為200～400℃時(shí)，其熱膨脹系數(shù)為零；當(dāng)溫度低于1 000℃時(shí)，其線(xiàn)膨脹系數(shù)為1.5×10曲K。

　　5、破損安全性能好

　　在碳纖維復(fù)合材料中，由于基體的作用，在沿纖維方向受拉時(shí)，各纖維的應(yīng)變基本相同。已斷裂的纖維由于基體傳遞應(yīng)力的結(jié)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(gè)別纖維的斷裂不會(huì)引起連鎖反應(yīng)和災(zāi)難性的急劇破壞，因而破損安全性能很好。

　　6、阻尼性能好

　　碳纖維復(fù)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(dòng)過(guò)程中，黏彈性和摩擦力使一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)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。

　　7、設(shè)計(jì)自由度大

　　復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展使得設(shè)計(jì)自由度大大提高。纖維復(fù)合材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是各向異性，通過(guò)改變纖維的鋪疊方向和方式，局部增強(qiáng)或增強(qiáng)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(qiáng)弱等不同情況加以設(shè)計(jì)，最大限度地發(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(shí)現(xiàn)的。

二、碳纖維的產(chǎn)品形式及用于體育器材的主要成型技術(shù)

　　碳纖維復(fù)合材料通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可整體成型，這樣可以省掉許多組合型架和裝配型架，降低生產(chǎn)成本。隨著技術(shù)的發(fā)展，體育器材的成型方法很多，主要包括纏繞成型、模壓成型、RTM成型、拉擠成型等技術(shù)。

　　1、纏繞成型技術(shù)

　　在專(zhuān)門(mén)的纏繞機(jī)上，將預(yù)浸料坯均勻、有規(guī)律地纏繞在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的芯模上，最后固化、除去芯模獲得制品。纏繞成型法既適用于制造簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)體，如圓柱體、球體及某些正曲率回轉(zhuǎn)體或筒形制品，也可用于非旋轉(zhuǎn)體部件制造。其顯著特點(diǎn)是能夠按照制品的受力情況將纖維按一定規(guī)律排布，從而充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度，獲得輕質(zhì)高強(qiáng)的制品；在工藝上能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、機(jī)械化生產(chǎn)，并且生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低；其缺點(diǎn)是制品固化后需除去芯模，不適宜于帶凹曲表面制品的制造。用這種方法可以制成高爾夫球桿和釣魚(yú)竿。

　　2、模壓成型技術(shù)

　　模壓成型工藝是在封閉的模腔內(nèi)借助加熱和壓力固化成型復(fù)合材料制品的方法。模壓成型的模具由陰、陽(yáng)模兩部分組成，增強(qiáng)材料一般為短切纖維氈、連續(xù)纖維氈和織物。模壓成型法生產(chǎn)效率高，制品尺寸準(zhǔn)確，表面光潔，特別適用于制造大批量以及精度和重復(fù)性要求比較高的制品。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無(wú)需有損于制品性能的輔助加工(如車(chē)、銑、刨、磨、鉆等)，制品的外觀(guān)及尺寸的重復(fù)性好。其缺點(diǎn)是：模具設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜，初次投資較高，易受設(shè)備限制。

　　3、RTM成型技術(shù)

　　RTM(樹(shù)脂傳遞模塑，簡(jiǎn)稱(chēng)RTM)是復(fù)合材料較為常用的一種成型技術(shù)。該技術(shù)是將纖維或預(yù)成坯鋪放到密閉模腔內(nèi)，用壓力將樹(shù)脂液注入模腔，浸透纖維或預(yù)成型坯，然后固化，脫模成型制品。RTM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：能夠制造高質(zhì)量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件，無(wú)需膠衣樹(shù)脂也可獲得光滑的雙表面；產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高；RTM模具和產(chǎn)品可采用CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，模具制造容易，材料選擇面廣；RTM成型的構(gòu)件與管件易于實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)或制造局部加厚的構(gòu)件，帶芯材的復(fù)合材料能一次成型；RTM成型過(guò)程中揮發(fā)少，有利于保護(hù)勞動(dòng)者及生產(chǎn)環(huán)境。目前一般使用RTM技術(shù)來(lái)批量生產(chǎn)自行車(chē)和劃艇的身體部分。

　　4、拉擠成型技術(shù)

　　用于連續(xù)生產(chǎn)纖維復(fù)合材料型材。拉擠是指纖維束或帶狀織物在外力牽引下，經(jīng)過(guò)浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長(zhǎng)切割，制成具有特定橫截面形狀和長(zhǎng)度不受限制的線(xiàn)型制品的一種方法。它將經(jīng)過(guò)浸漬的連續(xù)纖維通過(guò)具有一定截面形狀的成型模具，在模腔內(nèi)固化成型或在模腔內(nèi)凝膠、出模加熱固化，在牽引機(jī)械拉力作用下可連續(xù)引拔出無(wú)限長(zhǎng)的型材制品。拉擠成型工藝簡(jiǎn)單，效率高；拉擠法制備制品時(shí)，增強(qiáng)纖維沿軸向平行排列，能有效地利用其強(qiáng)度；采用纖維氈增強(qiáng)材料可制備各向同性制品；采用編織帶可提高制品的橫向強(qiáng)度。拉擠制品具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、易裝飾、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)。這些性能對(duì)于許多類(lèi)型的體育設(shè)施及相關(guān)應(yīng)用都是很理想的，例如漁竿、弓箭、撐竿、滑雪桿等。

　　三、碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用實(shí)例

　　碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度愈高，構(gòu)件自重愈??；比模量愈高，構(gòu)件的剛度愈大。因此充分利用碳纖維復(fù)合材料的特性，可提升諸多體育項(xiàng)目的成績(jī)。

　　1、撐竿

　　撐竿跳高在第一屆奧運(yùn)會(huì)中就被正式吸收為比賽項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)的撐竿由山胡桃木制成，結(jié)實(shí)沉重，缺乏彈性、儲(chǔ)能本領(lǐng)差的特性讓選手的動(dòng)能大多被浪費(fèi)，所以跳出的最好成績(jī)只有3．3 m。后來(lái)竹竿取代木質(zhì)撐竿，其中空質(zhì)輕有利于助跑，彈性有利于能量的轉(zhuǎn)化。20世紀(jì)60年代，運(yùn)動(dòng)員開(kāi)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(jì)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(fù)合材料取代，而且可根據(jù)撐竿受力的差異來(lái)設(shè)計(jì)不同部位的材質(zhì)，使整體性能最優(yōu)。最新的碳纖維撐竿可以保證撐竿既柔韌結(jié)實(shí)又不會(huì)斷裂或扭結(jié)，它可將運(yùn)動(dòng)員持竿快速助跑的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變成撐竿的彈性變形能，當(dāng)撐竿被壓彎到最大弧度后，這部分彈性變形能再釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)員的勢(shì)能，幫助運(yùn)動(dòng)員騰空躍起，飛越橫桿。

　　2、高爾夫球桿

　　20世紀(jì)30年代的鋼桿是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球桿，1972年美國(guó)首先采用碳纖維復(fù)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(guò)鋼桿。高爾夫球桿由握把、桿身、桿頭組成，用碳纖維復(fù)合材料制成的高爾夫球桿可減輕重量約10％～40％。根據(jù)動(dòng)量守恒定理，當(dāng)高爾夫球桿的總重量一定時(shí)，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(fù)合材料具有高阻尼特性，可使擊球時(shí)間延長(zhǎng)，球被擊得更遠(yuǎn)。

　　3、網(wǎng)球拍

　　網(wǎng)球拍的發(fā)展趨勢(shì)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(fù)合材料制成。大型網(wǎng)球拍需要采用重量輕、比強(qiáng)和比模大的碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造，它可以承受比木質(zhì)拍框更強(qiáng)的網(wǎng)線(xiàn)拉力，以保證擊球時(shí)不變形。減振阻尼性好的碳纖維復(fù)合材料，在賦予運(yùn)動(dòng)員舒適感的同時(shí)也使網(wǎng)球獲得了較大的初速度。

　　4、弓箭

　　在射箭項(xiàng)目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成績(jī)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(dāng)今世界最好的弓是碳纖維復(fù)合材料系列產(chǎn)品，由碳纖維復(fù)合材料制作的弓臂(弓片)可承受50 kg／Hun2的彎曲應(yīng)力，賦予箭最大的初速度和最遠(yuǎn)的射程。開(kāi)弓射箭，一張一弛，碳纖維復(fù)合材料的耐疲勞特性是玻璃鋼和金屬材料所無(wú)法比擬的，因而所制弓臂的使用壽命更長(zhǎng)。

5、自行車(chē)

　　隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，自行車(chē)不僅是交通和運(yùn)輸工具，還具有健身、旅游、競(jìng)賽等多種功能。高檔自行車(chē)的車(chē)構(gòu)架、前叉部件、車(chē)輪、曲軸及座位支架等均使用碳纖維復(fù)合材料制成，不僅使自行車(chē)外觀(guān)更具美感，同時(shí)也賦予了車(chē)體良好的剛性和減震性能。車(chē)體重量進(jìn)一步下降，騎乘舒適性更好。

　　現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展對(duì)體育產(chǎn)生了前所未有的影響，當(dāng)今世界的體育競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上是科學(xué)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，而先進(jìn)、新穎的材料則是提高體育科學(xué)技術(shù)水平的重要條件之一。如今，在不少運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，人的體能和精神的激發(fā)都幾乎達(dá)到了極限，勝敗往往只在毫厘之間，僅靠強(qiáng)健的肌肉和良好的競(jìng)技狀態(tài)已很難獲勝，運(yùn)動(dòng)員們?cè)絹?lái)越多地要依靠科學(xué)家的智慧，拼的是裝備。人們期望通過(guò)運(yùn)動(dòng)器材的升級(jí)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)員挑戰(zhàn)極限，可以這么說(shuō)，現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)已不再純粹是比哪個(gè)國(guó)家的運(yùn)動(dòng)員跑得更快、跳得更高、舉得更重，在運(yùn)動(dòng)員與運(yùn)動(dòng)員較量的背后，是國(guó)家與國(guó)家科技發(fā)展與人心凝聚的綜合大比拼。奧運(yùn)會(huì)上的各項(xiàng)紀(jì)錄不僅僅是人類(lèi)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)。