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高性能碳纤维复合材料 在体育休闲领域的应用
2022年4期 发行日期:2022-02-17
作者:■ 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 钱鑫

  在拉丁语中,奥林匹克的格言Citius、Altius、Fortius含义为“更高”“更强”“更快”,这几个词语在历史上一直适用于夏季奥运会、残奥会和冬季奥运会运动员的表现。随着越来越多的体育运动器材制造商使用碳纤维复合材料,使得这句格言适用于当今竞赛场上各种各样的产品。因为碳纤维复合材料可以增加力量并减轻装备的重量,从而有助于运动员在比赛中利用更短的时间获得更加优异的成绩。

  多年来,高性能体育用品的轻便耐用需求推动了运动器材材料的显著发展,从材料发展史来看,体育休闲领域用材料经历了从木材到金属,再到碳纤维复合材料等几个阶段的发展。诸如自行车、滑雪板、箭、球拍、曲棍球棒和撑杆的器材材料选项已逐渐从较重的材料过渡到复合材料,并实现了更加坚固轻巧的结构。

  自20世纪90年代开始,体育用品市场便已成为高性能碳纤维复合材料市场的福音。由于具有高比强度、高比模量等特性,碳纤维吸引了体育用品制造商浓厚的兴趣,钓鱼竿、高尔夫球杆和网球拍开始采用碳纤维为原料。在碳纤维商品化初期,由于价格高昂,只有专业运动员和少数狂热的运动爱好者对碳纤维体育用品感兴趣。随着碳纤维的价格下降,碳纤维材料体育用品开始普及,现在碳纤维已成为体育用品必不可少的基本材料。目前,高性能碳纤维复合材料在体育休闲领域的典型应用实例如下:

1.钓鱼竿

  钓鱼竿是可以充分利用碳纤维重量轻、高刚度、高灵敏度等特性的应用产品之一。从碳纤维钓鱼竿发展史来看,日本东丽公司是第一家将碳纤维用于钓鱼竿的企业。东丽公司的碳纤维于1972年被奥运会选用的全球第一根碳纤维鱼竿“Seiki sweetfish”所采用。该鱼竿使用东丽Torayca?誖碳纤维/玻璃纤维,并以酚醛树脂为基体基于缠绕工艺加工而成,鱼竿长度为7.2米,只有传统玻璃纤维钓鱼竿长度的一半,其重量仅为600克,虽然当时其价格高达5万日元,是普通钓鱼竿价格的4倍,但是它的出现也获得了大量好评。

  由于具有轻量化、高刚度等特性,使得碳纤维钓鱼竿一经推出,便广受好评,在钓鱼过程中,碳纤维钓鱼竿的具有优势体现在以下几方面:

  ●由于碳纤维钓鱼竿更轻更薄,所以可以用一只手轻松地操纵这些鱼竿;

  ●因为重量轻,因此可防止使用者感到疲劳;

  ●碳纤维可使鱼竿具有更长的长度,而更长的钓鱼竿意味着可以覆盖更广阔的钓鱼区域;

  ●碳纤维钓鱼竿对鱼类的反应更为敏感,从而使钓鱼者可以更容易钓到鱼。

2.高尔夫球杆

  高尔夫球杆最初使用以高强度和高冲击吸收性著称的山核桃木和其他天然材料。20世纪20年代出现了钢制球杆,到了70年代后碳纤维球杆成为主流,一直保持到今天。

  与金属球杆相比,由碳纤维制成的高尔夫杆身重量要轻得多,因此在给定功率下,采用碳纤维杆身的挥杆速度要显著高于金属杆身。最初,碳纤维球杆在高级运动员和女士中开始流行,可以显著增加击球距离。后续随着碳纤维大量应用和不断优化设计,根据每个高尔夫球手的体力实现了高尔夫球杆的柔韧性、扭矩、重量、击球点等调整,并给予球杆良好的携带性和出色的方向性。因此,目前为高尔夫职业选手、中老年人以及女性高尔夫球手而设计的各种类型的杆身都采用了碳纤维。

  如今,几乎100%的木杆和65%的铁杆被碳纤维取代。毫无疑问,碳纤维将继续成为支撑高尔夫发展的重要材料,而随着高尔夫球杆功能性提升,一些高端碳纤维产品也被用于球杆的加工,如全球高尔夫球杆顶级制造商Graphite Design公司推出了Tour AD 系列高尔夫球杆,球杆采用了东丽T1100G碳纤维预浸料,随着高端T1100G碳纤维应用,可在保证纤维重量不增加前提下,大幅度提高了结构刚度。

3.网球拍

  网球是一项极其艰苦的运动,而使用碳纤维制备的网球拍可以比木材或金属材质球拍轻得多,可以减轻球员的负担。因此,碳纤维网球拍大受欢迎,而且通过对球拍设计进行改进如扩大最佳击球点等,进一步为其大众化做出了贡献。

  除轻量化之外,采用碳纤维材质网球拍使用寿命比木制球拍更长,因此进一步提升了其吸引力。全球知名的碳纤维制造商也关注到碳纤维网球拍的优势,如日本帝人公司推出的一款碳纤维中间材料,专门用于提高网球拍等运动设备的质量标准。

4.自行车

  目前碳纤维已经广泛应用于中、高档竞赛用自行车中,碳纤维自行车零部件具有质量轻、刚性大等优点,几乎所有自行车零部件均可推出碳纤维版本,如框架、叉子、手柄、制动器、车座、座椅杆、轮辋/轮辐、踏板、传动带等。

  奥运会有几个自行车项目,每个项目的装备都大不相同。但是,无论参赛者骑的是带实心盘轮的无刹车履带自行车,还是更熟悉的公路自行车,更或是高度耐用的 BMX 和山地自行车,这些设备都有一个特点——碳纤维复合材料车架。

  近年来,碳纤维复合材料3D打印技术取得快速发展,3D打印碳纤维自行车结构件也应运而生。2019年,美国Arevo公司在德国弗里德里希沙芬的2019欧洲自行车展上推出了全球第一款3D打印碳纤维一体式生产自行车车架;随后在2020年该公司推出了直接面向消费者的硅谷自行车品牌Superstrata——这是世界上第一款采用耐冲击一体式碳纤维框架的量身订做3D打印自行车。继上述产品成功之后,Arevo公司于2021年5月首次推出Scotsman型新款电动踏板车,这是一款定制的3D打印碳纤维/热塑性复合材料电动踏板车。

5.射箭运动配件

  复合材料反曲弓的历史可以追溯到数千年前,当时木头上铺有角和筋来抵抗压缩和拉伸。现在的弓由弓弦和装有瞄准配件和稳定杆的手柄组成,这些稳定杆可在释放箭头时抑制振动。

  弓必须坚固而稳定,才能让箭在接近 150 英里/小时的速度下松开。复合材料可以提供这种刚度。如盐湖城的 Hoyt Archery 在合成泡沫芯周围使用三轴 3-D 碳纤维来提高速度和稳定性。

  弓不是射箭运动中唯一的高度工程化的复合材料部件。箭头也可以经过微调以达到目标。X10 箭头由盐湖城的 Easton 专门为奥运会比赛生产,将高强度碳纤维粘合到合金芯上制备而成。

6.跳高运动用撑杆

  对于撑杆跳高,运动员依靠两个因素将他们尽可能高地推过单杠——稳固的助跑和灵活的撑杆。

  在撑杆中使用碳纤维,可以有效增加刚度;而通过在其管状设计中使用上百种不同类型的纤维,可以精确地微调其杆的属性,以实现令人难以置信的轻盈与手柄的平衡。

7.碳纤维滑雪工具

  利用碳纤维材质制造的滑雪板、雪橇以及越野滑雪板等休闲体育用品,具有质量更轻、刚性更强、吸震性更好等系列优点。

  通过采用复合材料创建滑雪板和滑雪板的保护层可改善球员对板的控制。在滑雪板中使用复合材料可以改变结构件的几何形状,降低粘合失败的风险并降低成本。

8.碳纤维运动鞋

  高性能碳纤维复合材料还可用于高性能运动鞋等运动防护设备。在刚刚过去2021年中,许多公司报道了在该领域的创新技术与产品。例如,美国初创公司Carbitex公司开发出一种柔性热塑性碳纤维板技术,该技术被用作运动鞋和越野鞋的小腿或其他部件,以及运动头盔、护肩和医疗支具应用中的其他部件。德国科思创(Covestro)公开了几项最新进展,其中包括使用其碳纤维增强热塑性Maezio材料制造的跑鞋、篮球鞋等。2021年9月,意大利Salewa推出的一款新型轻质登山靴,采用了碳纤维/热塑性复合材料框架。2021年10月,意大利CRP Technology宣布其Windform SP碳纤维填充材料成功用于外底、中底和特殊Pleko履带钉的罗纹。


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