“外柔内刚”为体育休闲添活力
■ 威海光威复合材料股份有限公司 吕帅 黄海超 张洪池 王文义
21世纪初，在国家的大力支持下涌现了一批碳纤维生产企业。随着国内碳纤维企业的发展，碳纤维在钓鱼竿、高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、乒乓球拍、滑雪板等体育休闲领域的应用也在逐步加大。其“外柔内刚”的特性尤其被体育休闲用品所青睐。
七大优势完胜金属材料
目前，用来制造体育休闲器材的新材料主要是复合材料，而碳纤维复合材料便是其中的佼佼者，七大优势明显超越各种金属材料。
质量轻 像羽毛球拍、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休闲器材，人们希望其质量越轻越好。碳纤维复合材料在此方面具有不可比拟的优势，碳纤维密度约为1．76～1．82g/cm3，所制复合材料密度约为1．50～1．60g/cm3，而钢材约为7．87g/cm3、铝材约为2．7g/cm3、钛材约为4．5g/cm3。显然，同等体积下，碳纤维复合材料要比金属材料轻得多。
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)分别是钢材的7～12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休闲器材。
疲劳强度高 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，使得体育休闲器材的使用寿命更长。
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1000℃时，其热膨胀系数为1．5x10-6 K-1。
破损安全性能好 在碳纤维复合材料中，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。
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。
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。碳纤维复合材料的一个显著特点是各向异性，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，最大限度地发挥体育休闲器材的使用效果，这是一般各向同性的金属材料难以实现的。
需求强劲，碳纤维复合材料助力各项体育运动
体育休闲器材是我国碳纤维的主要消费领域，年消耗约5千吨，占国内碳纤维总消耗量的80%左右，近几年年均增长率保持在4%左右，体育用品使用碳纤维绝对数量仍在增加。
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。
碳纤维鱼竿具有轻、坚、抗拉强度高的特点，在弯曲后能迅速复原。同样长度的碳纤维竿比玻璃纤维竿轻50%，一只5.4米长的碳纤维竿重量仅仅300克左右，竿体也比玻璃纤维细的多，使其在撒杆时消耗能量少，而且撒杆距比竹竿和玻璃钢鱼竿远20%左右。我国碳纤维在钓鱼竿上的应用是比较早的，数量也是最大的，以光威集团为例，80年代末开始应用碳纤维制作钓鱼竿，产量每年都以两位数以上的速度增长，且钓鱼竿所用的碳纤维范围很广，从普通型号到高强高模型都有应用。钓鱼竿是以碳纤维预浸料作为原材料的，目前全国生产预浸料厂家较多，光威复材每年生产钓鱼竿用碳纤维预浸料多达500万m2，消耗碳纤维800吨以上。
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％。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。
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。该类球拍需采用重量轻、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。该类球拍轻而坚、刚性大、应变小，可降低球与球拍接触时的偏离度，同时CFRP的阻尼性好，可延长线与球的接触时间，在赋予运动员舒适感的同时也可使网球获得较大的初速度。
羽毛球拍由最初的木框钢管拍、铝合金拍发展到现在普遍使用的纯碳纤维拍经历了一个多世纪之久。全碳纤维羽毛球拍具有质量轻、韧性好、硬度高等优点，可以提高使用者的挥拍速度，并且使球拍线拉更高的磅数，提高控球稳定性，且球拍的中杆能够承受很大的弯曲，可以增加击球的有效区，从而使拍子的控制和击球爆发性更加卓越。
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。高档自行车的车构架、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。
乒乓球是我国的国球，有着广泛的群众基础，是我国最为普及的运动之一。随着乒乓球技术和规则的不断创新，乒乓球拍底板的材料也从纯木逐渐向复合材料转变，目前底板所使用的复合材料主要有碳纤维、芳基纤维、芳碳混编纤维和玻璃纤维，其中尤以碳纤维使用最为广泛。碳纤维复合材料以其优异的刚性和弹性强度能够满足各项要求，因此在各方推动之下，乒乓球拍底板的“碳素化”将势在必行而且会越来越快。
撑竿跳高在第一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，后来逐渐发展为尼龙和玻璃纤维材质。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，使整体性能最优。最新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。
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。当今世界最好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可承受50kg／mm2的弯曲应力，赋予箭最大的初速度和最远的射程。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。
此外，碳纤维复合材料在体育用品方面，还可以制造动力雪撬用的弹簧板、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机、垒球和棒球球棒等。
我国目前正在大力提高碳纤维复合材料的工艺性，使其在体育器材市场进一步推广。到目前为止，碳纤维复合材料已经占领了很大部分的体育器材市场，形成了一定的认知基础。我国这些复合材料制成的体育器材不仅供给国内运动员满足其需求，而且已经销往世界各地。随着社会的进步，人们对体育器材的要求越来越高，碳纤维复合材料顺应了时代的发展潮流，必定会有更广阔的发展前景。