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   现代科学技术的飞速发展对体育产生了前所未有的影响。当今世界的体育竞争本质上是科技的竞争，先进新颖的材料是提高体育科技水平的重要条件之一。现在很多运动中，人的身心刺激几乎到了极限，胜负往往在一毫米之内。仅靠强壮的肌肉和良好的竞技状态是很难取胜的。运动员越来越依赖科学家的智慧，为设备而战。人们期待运动员通过运动装备的升级来挑战极限。可以说，现代奥运会不再是单纯的比其他国家的运动员更快、更高、更重。运动员与运动员之间的竞争背后，是国家和民族科技发展与人心凝聚的综合竞争。奥运会上的记录不仅是人类突破生理极限的体现，也是体育科技创新的集中展示。  

   碳纤维是一种含碳量很高的无机高分子纤维材料。是“外柔内刚”。它的重量比铝轻，但强度比钢高。它有四种产物形式:纤维、布、预浸料和短切纤维。布是指碳纤维制成的织物；预浸料是碳纤维以一致的方式沿一个方向排列，碳纤维或布用树脂浸渍后转变成薄片；短纤维是指短丝。根据不同的比例，这些产物和树脂将一起使用，形成碳纤维增强复合材料(CFRP)。目前用于制造运动器材的新材料主要是复合材料，其中以碳纤维复合材料最好。从某种意义上说，现代竞技运动是挑战人类体能极限的运动。任何项目世界纪录的微小提高，往往都需要和依赖于科技的推动。使用新材料来提高比赛器材的性能，从而提高运动成绩的情况并不少见。

一.碳纤维复合材料用于运动器材的优势

1.良好的破坏安全性能。

   在碳纤维复合材料中，由于基体的作用，每根纤维沿纤维方向拉伸时的应变基本相同。由于基体传递的应力，除断裂外，大部分断裂的纤维仍在发挥作用。个别纤维的断裂不会引起连锁反应和灾难性的尖锐损伤，因此损伤安全性能非常好。

2.减震性能好。

   碳纤维复合材料聚合物基体具有粘弹性，基体中存在摩擦，界面上存在微裂纹和脱粘的地方。在振动过程中，粘弹性和摩擦力使部分动能转化为热能。所以它的阻尼比钢和铝合金的阻尼大，采取特定的措施可以增加阻尼。

3.设计自由度大。

   随着复合材料成型技术的发展，设计的自由度大大提高。纤维复合材料的一个显著特点是各向异性，通过改变纤维铺放的方向和方式，可以局部增强或加强某一方向的应力。可以根据选手的年龄、性别、技能水平、体力等不同情况进行设计，最大限度地发挥运动器材的使用效果，这是一般各向同性金属材料难以达到的。

4、重量轻

   运动器材，如杆子、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等。，靠人力来搬，人们希望质量越轻越好；甚至是依靠人力以外的其他动力使其运动的设备，如赛车、帆船、摩托艇等。，同等条件下应该质量轻。碳纤维复合材料在这方面具有无可比拟的优势，其密度为1.76-1.80 g/cm3，复合材料的密度为1.50-1.60g/co，而钢、铝、钛的密度分别约为7.87 g/cm3、2.7 g/cm3、4.5 g/cm3。显然，碳纤维复合材料比金属材料要轻得多。

5.高比强度和模量

   碳纤维复合材料的比强度(单位质量强度)和比模量(单位质量模量)分别是杉木的4倍和3倍，梧桐的3.4倍和4.4倍，钢的7-12倍和3-5倍。由于其突出的比强度和比模量，可用于制造轻质、坚固和刚性的产物，特别适合制造运动器材。

6.高疲劳强度。

    碳纤维的结构是稳定的。经过数百万次循环应力疲劳试验，碳纤维制成的复合材料强度保持率仍可达60%，而钢为40%，铝为30%。高疲劳强度使运动器材的使用寿命更长。

7.低热膨胀系数

    碳纤维的热膨胀系数在室温下几乎为负值，在200 ~ 400℃时为零。当温度低于1 000℃时，其线膨胀系数为1.5×10 kK..

二、碳纤维的产物形式及运动器材的主要成型技术

   碳纤维复合材料通过合理的设计，可以整体成型，可以省去很多组合框和组装框，降低生产成本。随着技术的发展，运动器材的成型方法有很多，包括缠绕成型、压缩成型、RTM成型、拉挤成型等技术。

1.缠绕成型技术

   在专用的缠绕机上，将预浸料均匀、规则地缠绕在旋转的芯模上，最后固化、脱模得到产物。缠绕法不仅适用于制造简单的旋转体，如圆柱体、球体和一些正曲率旋转体或圆柱形产物，也适用于非旋转零件的制造。其显著特点是能根据制品的受力情况，将纤维按一定规律排列，充分发挥纤维的强度，获得轻质高强的制品；技术上可实现连续机械化生产，生产周期短，生产效率高，劳动强度低；其缺点是产物固化后需要拆下芯模，不适合制造凹曲面的产物。用这种方法，可以制作高尔夫球杆和钓鱼竿。

2.成型技术

   成型工艺是通过在封闭的模腔中加热和加压来固化和成型复合材料产物的方法。成型模具由凹模和凸模组成，增强材料为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。成型法生产效率高，产物尺寸准确，表面光滑，特别适合制造大批量、高精度、高重复性要求的产物。结构复杂的产物可一次成型，无需辅助加工(如车、铣、刨、磨、钻等。)会损害产物性能，产物在外观和尺寸上具有良好的重复性。其缺点是:模具设计制造复杂，初期投资高，易受设备限制。

3.搁罢惭成型技术

   RTM(树脂传递模塑)是复合材料常用的成型技术。该技术是将纤维或预制件铺放在封闭的模腔中，通过压力将树脂液注入模腔中，浸泡纤维或预制件，然后固化脱模形成产物。RTM技术的优点是:可制造高质量、高精度、低孔隙率、高纤维含量的复杂复合材料构件，无需胶衣树脂即可获得光滑的双面；从产物设计到生产时间短，生产效率高；RTM模具和产物可以用CAD设计，制造简单，选材广泛。RTM成型构件和管件易于实现局部增强或制造局部加厚构件，带芯材的复合材料可一次成型；RTM工艺挥发少，有利于保护工人和生产环境。目前，RTM技术一般用于批量生产自行车和划艇的车身部件。

4.拉挤技术

   用于连续生产纤维复合型材。拉挤成型(Pultrusion)是指将纤维束或带状织物通过外力拉伸、浸胶、挤压、加热固化、切割成一定长度，制成特定截面形状、长度不限的线形制品的一种方法。它将浸渍后的连续纤维通过具有一定截面形状的成型模具，在模腔内固化或在模腔内凝胶化，然后取出模具加热固化。在牵引机械张力的作用下，可连续拉出无限长的型材产物。拉挤工艺简单，效率高；采用拉挤成型制备产物时，增强纤维沿轴向平行排列，可以有效利用其强度。使用纤维毡增强材料可以制备各向同性产物；使用编织带可以提高产物的横向强度。拉挤产物具有强度高、重量轻、易于装饰和表面质量好的特点。这些性能是许多类型的体育设施和相关应用的理想选择，例如鱼竿、弓箭、杆子和滑雪杖。

叁。碳纤维复合材料在运动器材中的应用实例

   碳纤维复合材料的比强度越高，构件自重越小；模量越高，构件的刚度越大。所以充分利用碳纤维复合材料的特点，可以提高很多运动的成绩。

1.弓箭

   在射箭项目中，提高射箭器材的性能是提高射箭成绩的重要途径，而提高其器材性能的主要方法是提高弓箭的专项弹性。当今世界上最好的弓是碳纤维复合材料系列产物。碳纤维复合材料制成的弓臂(弓片)可承受50公斤/hun 2的弯曲应力，赋予箭最大初速和最远射程。张驰和碳纤维复合材料的弓射箭的抗疲劳能力是玻璃钢和金属材料无法比拟的，所以弓臂的使用寿命更长。

2.自行车

    随着现代社会的快速发展，自行车不仅是一种交通工具，还具有健身、旅游、比赛等多种功能。高档自行车的车架、前叉部件、车轮、曲轴、座椅支架均采用碳纤维复合材料材质，不仅使自行车外观更加美观，还赋予车身良好的刚性和减震性能。车身重量进一步减轻，乘坐舒适性更好。

    英特尔新材料(http://www.itlxcl.com)有限公司专注于R&D和碳纤维产物的生产。体育用品方面，研究设计弹簧板、冰球棍、游艇、划艇、划桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山鞋等体育用品。获得广泛的市场。目前已与国内多家运动器材厂商达成战略合作。

3.网球拍

    网球拍的发展趋势是大型化和轻量化。目前世界上的高中档网球拍，材质多为碳纤维复合材料。一个大网球拍需要用碳纤维复合材料做，重量轻，比比强，比模大。能承受比木质球拍框更强的网线张力，保证击球时不会变形。阻尼好的碳纤维复合材料不仅能给球员舒适感，还能让网球获得更大的初速度。

4.握住杆子

    撑杆跳在第一届奥运会上被正式吸收为比赛项目。当时的杆子是山核桃木做的，结实笨重，缺乏弹性，储能能力差，所以队员的动能大多被浪费了，所以跳出的最好成绩只有3.3m，后来竹竿取代了木杆，重量轻有利于助跑，而弹性有利于能量转换。20世纪60年代，运动员开始使用尼龙杆，不久尼龙杆被玻璃纤维杆取代。随着电杆材料的不断改革，世界纪录一再被刷。如今撑杆已经发展到第四代，玻璃纤维和尼龙被性能更优越的碳纤维复合材料取代。而且可以根据撑杆的受力差异设计不同部位的材料，使整体性能最佳。最新的碳纤维杆能保证杆身灵活牢固不折断不扭结，能把运动员快速助跑的动能转化为杆身的弹性变形能。当杆子弯曲到最大弧度时，这种弹性变形能量可以再次释放出来，转化为运动员的势能，帮助运动员起跳，飞越横杆。

5.高尔夫俱乐部

    在20世纪30年代，钢条是美国标准的高尔夫球杆。1972年，美国首次使用碳纤维复合材料制作高尔夫球杆。到1998年，碳纤维高尔夫球杆的数量已经大大超过了钢筋。高尔夫球杆由手柄、杆身和杆头组成。用碳纤维复合材料制作的高尔夫球杆，重量可以减轻10% ~ 40%左右。根据动量守恒定律，当高尔夫球杆总重量不变时，杆头重量轻于挥杆速度，可以使球获得较大的初速度。另外，碳纤维复合材料具有高阻尼特性，可以延长击球时间，使球击得更远。