碳纤维复合材料在体育产品中的应用
发布时间：2020-01-09 21:06:23 点击率：
随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，越来越多的现代人走进各类运动场所放松身心，而现代竞技体育的发展在要求体育专家讲求科学训练的同时，还要重视对体育器材的改进与研制。碳纤维复合材料的比强度愈高，构件自重愈小；比模量愈高，构件的刚度愈大。因此充分利用碳纤维复合材料的特性，可提升诸多体育项目的成绩。
一、复合材料应用到体育中的优势
01质量轻
像撑竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，人们希望其质量越轻越好；即使是靠人力以外的其他动力来使其运动的器材，如赛车、帆船、摩托艇等，在相同的条件下也以质轻为好。
02高比强度和高比模量
碳纤维复合材料的比强度（单位质量的强度）和比模量（单位质量的模量）分别是杉木的4倍和3倍、梧桐木的3．4倍和4．4倍、钢材的7～1
2倍和3—5倍。突出的比强度、比模量，使其可用来制造轻而强和刚而坚的各种制品，特别适合于制作体育器材。
03疲劳强度大
碳纤维结构稳定，在其制成复合材料经过百万次循环应力疲劳试验后，其强度保留率仍可达60％，而钢材为40％，铝材为30％。耐疲劳强度高，使得体育器材的使用寿命更长。
04热膨胀系数小
碳纤维的热膨胀系数在室温时几乎为负值，当温度为200～400℃时，其热膨胀系数为零；当温度低于1
000℃时，其线膨胀系数为1.5×10曲K。
05破损安全性能好
在碳纤维复合材料中，由于基体的作用，在沿纤维方向受拉时，各纤维的应变基本相同。已断裂的纤维由于基体传递应力的结果，除断口处不发挥作用外，其余绝大部分纤维依旧发挥作用。个别纤维的断裂不会引起连锁反应和灾难性的急剧破坏，因而破损安全性能很好。
06阻尼性能好
碳纤维复合材料的聚合物基体具有黏弹性，在基体中和界面上有微裂纹和脱黏的地方还存在着摩擦力，在振动过程中，黏弹性和摩擦力使一部分动能转换为热能。因此，其阻尼比钢和铝合金大，若采用特定措施还可以使阻尼增大。
07设计自由度大
复合材料成型技术的发展使得设计自由度大大提高。纤维复合材料的一个显着特点是各向异性，通过改变纤维的铺叠方向和方式，局部增强或增强某一方向的受力状况；可根据选手的年龄、性别、技艺水平、体力强弱等不同情况加以设计，大限度地发挥体育器材的使用效果，这是一般各向同性的金属材料难以实现的。
二、碳纤维复合材料在体育器材上的应用实例
01撑竿
撑竿跳高在届奥运会中就被正式吸收为比赛项目，当时的撑竿由山胡桃木制成，结实沉重，缺乏弹性、储能本领差的特性让选手的动能大多被浪费，所以跳出的成绩只有3．3
m。后来竹竿取代木质撑竿，其中空质轻有利于助跑，弹性有利于能量的转化。20世纪60年代，运动员开始使用尼龙撑竿，不久尼龙撑竿又被玻璃纤维竿所代替。撑竿材料的不断改革，使世界纪录被屡屡新刷。如今撑竿发展到了第四代，玻璃纤维和尼龙已经被性能更优越的碳纤维复合材料取代，而且可根据撑竿受力的差异来设计不同部位的材质，使整体性能。的碳纤维撑竿可以保证撑竿既柔韧结实又不会断裂或扭结，它可将运动员持竿快速助跑的动能部分转变成撑竿的弹性变形能，当撑竿被压弯到大弧度后，这部分弹性变形能再释放出来，转变成运动员的势能，帮助运动员腾空跃起，飞越横杆。
02高尔夫球杆
20世纪30年代的钢杆是美国标准高尔夫球杆，1972年美国首先采用碳纤维复合材料制成球杆，到1998年碳纤维高尔夫球杆数量大幅度超过钢杆。高尔夫球杆由握把、杆身、杆头组成，用碳纤维复合材料制成的高尔夫球杆可减轻重量约10％～40％，能显着增加球杆的力学性能，也使得制造商更以控制产品的动态性能，这非金属或其它单一材料所能达到的。根据动量守恒定理，当高尔夫球杆的总重量一定时，头重杆轻便于提高挥杆速度，可使球获得较大的初速度。此外，碳纤维复合材料具有高阻尼特性，可使击球时间延长，球被击得更远。
03网球拍
网球拍的发展趋势是大型化、轻量化。目前世界上高、中档网球拍大多采用碳纤维复合材料制成。大型网球拍需要采用重量轻、比强和比模大的碳纤维复合材料来制造，它可以承受比木质拍框更强的网线拉力，以保证击球时不变形。减振阻尼性好的碳纤维复合材料，在赋予运动员舒适感的同时也使网球获得了较大的初速度。
04弓箭
在射箭项目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成绩的重要途径，而改善其用具性能的主要方法就是提高弓和箭的比弹性。当今世界的弓是碳纤维复合材料系列产品，由碳纤维复合材料制作的弓臂(弓片)可承受50
kg／Hun2的弯曲应力，赋予箭大的初速度和远的射程。开弓射箭，一张一弛，碳纤维复合材料的耐疲劳特性是玻璃钢和金属材料所无法比拟的，因而所制弓臂的使用寿命更长。
05自行车
随着现代社会的快速发展，自行车不仅是交通和运输工具，还具有健身、旅游、竞赛等多种功能。自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴及座位支架等均使用碳纤维复合材料制成，不仅使自行车外观更具美感，同时也赋予了车体良好的刚性和减震性能。车体重量进一步下降，骑乘舒适性更好。
三、复合材料在体育中应用的意义
现代科技的飞速发展对体育产生了的影响，当今世界的体育竞争实质上是科学技术的竞争，而先进、新颖的材料则是提高体育科学技术水平的重要条件之一。如今，在不少运动项目中，人的体能和精神的激发都几乎达到了极限，胜败往往只在毫厘之间，仅靠强健的肌肉和良好的竞技状态已很难获胜，运动员们越来越多地要依靠科学家的智慧，拼的是装备。人们期望通过运动器材的升级带动运动员挑战极限，可以这么说，现代奥运会已不再纯粹是比哪个国家的运动员跑得更快、跳得更高、举得更重，在运动员与运动员较量的背后，是国家与国家科技发展与人心凝聚的综合大比拼。奥运会上的各项纪录不仅仅是人类突破生理极限的体现，也是科技创新在体育中的集中展现。
来自：蒂森新材料
