1. ?引言

碳纖維在體育制品上的應(yīng)用起源于上個世紀(jì)70年代，當(dāng)時大家把目光都集中在航空航天軍工，畢竟那么高大上的領(lǐng)域，特別是那一段時間美蘇太空競賽，衛(wèi)星、飛船上天，登月計劃，吸引了全世界的目光。

長期以來，碳纖維復(fù)合材料已成功滲透到體育用品中的各個領(lǐng)域，而體育用品也是繼航空航天后碳纖維應(yīng)用開發(fā)的工業(yè)部門.

碳纖維復(fù)合材料因重量輕、高強度、耐疲勞性優(yōu)異等，已成為體育用品行業(yè)的選材料。碳纖維的體育用品市場靈感源于美國的Jim Flood被稱為高爾夫球界的愛迪生。1972年，Jim Flood發(fā)現(xiàn)使用碳纖維球桿可以將高爾夫球擊出比鐵桿多30碼的距離。隨后，碳纖維在其他運動里推廣開來，將其作為金屬材料的替代品，如羽毛球、網(wǎng)球、棒球、滑板、滑雪、自行車、賽艇及射箭等運動，以及釣魚等休閑運動。

2.?碳纖維復(fù)合材料在體育用品上的優(yōu)勢

?隨著社會的進步，人們對生活方式的追求不斷提高，體育運動已經(jīng)深入到我們每個人的生活當(dāng)中，健康科學(xué)的訓(xùn)練方式也是人們關(guān)注的重點，對運動器材的要求也是越來越高，新型運動器材的市場也在不斷的擴大，對于運動器材的材質(zhì)要求也是越來越高，碳纖維在重量和強度方面的優(yōu)勢，讓它成為了新型運動器材首選材料之以至于碳纖維在運動器材領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，碳纖維在體育用品上面的應(yīng)用都有哪些優(yōu)勢：

（1）?重量輕

除了特殊體育項目要求重量，人們在用體育用品進行鍛煉時，體育用品當(dāng)然是越輕越好。重量輕能使煉者更好的發(fā)揮水平，比如網(wǎng)球拍、球桿、自行車、滑雪板等，甚至還有一些靠人力之外動力使其運動的器材如賽車、帆船類也同樣要求質(zhì)輕，可減少動力要求，節(jié)省燃料。碳纖維在這方面有不可代替的優(yōu)勢。

（2）良好的力學(xué)性能

碳纖維材料的比強度、比模量是其他材料所不能超越的，其獨特的力學(xué)性能剛好滿足體育器材的需求，是體育器材可選材料的絕佳選擇。碳纖維復(fù)材主要是樹脂固化成型，在加工設(shè)計方面能發(fā)揮更多可能。

（3）安全、衛(wèi)生、環(huán)保

碳纖維復(fù)合材料不僅優(yōu)勢良多，而且是一種環(huán)保型材料，在衛(wèi)生性及安全性上也有保障，屬于具有特殊性能的新型材料，其除了力學(xué)性能好、可塑性強、安全性高等功能外，還屬于可回收再利用資源。其具有很高的環(huán)保性，便于回收利用的同時還會降低成本、節(jié)約資源等，這些特性都將會成為碳纖維復(fù)合材料在體育運動器械中廣泛使用的優(yōu)勢。

（4）可塑性高

可塑性是制造運動器械的基本條件之一，塑料、碳纖維復(fù)合材料等都具備一定的可塑性。塑料及其合金可以通過很多方式（吹塑、注塑、擠出、熱成型等）進行加工成型，然后再應(yīng)用到運動器械中，與其他普通材料相比可塑性更好。隨著我國體育事業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用到體育運動器械領(lǐng)域的材料可以通過更多的加工方式使得運動器械的性能得以提高。

（5）耐老化性好

運動器械在實際應(yīng)用中多處于室外，容易受到太陽照射、雷雨等自然環(huán)境的影響，同時大氣中氧氣、臭氧以及酸性氣體等物質(zhì)也會對其產(chǎn)生破壞，再加上氣溫的變化，這些因素都會影響運動器械出現(xiàn)老化、裂痕、顏色變化等。因此，體育運動器械在投入使用時需要具備良好的耐腐蝕性、耐老化性等，尤其是在露天環(huán)境下對該方面的要求就更嚴(yán)格，如果耐老化不佳會嚴(yán)重影響器材的使用壽命。

3.?碳纖維復(fù)合材料在體育及休閑用品中的應(yīng)用

碳纖維體育用品應(yīng)用的領(lǐng)域可以分為兩個大的方向，一個是競技體育，主要講求高精尖、更高、更快，一個是用于日常的健身及休閑，需要合適的性價比。目前碳纖維在體育用品領(lǐng)域，用量最大的幾個產(chǎn)品是：

??（1）自行車

鋼材作為自行車最久的材料，他擁有很好的彈性，成本較低，但由于密度大，易生銹，易疲勞。鋁合金是目前市場上使用普遍的材料，他的重量輕，不會生銹，但彈性太差，容易疲勞，騎行的舒適感不好。鎂合金的密度比鋁合金要小，基本性能和鋁合金差不多。鈦合金的耐疲勞性比其他金屬材料好，但價格高，比重卻沒有優(yōu)勢。而碳纖維復(fù)合材料強度高、彈性好、密度輕、耐腐蝕，由碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的自行車具有以下各方面的特點：

a. 有效降低了自行車的總重量

碳纖維樹脂基復(fù)合材料的密度一般只有1.6。只是鋼的五分之一，與鋁材相比，可以減重40%左右。自行車行業(yè)內(nèi)有這樣一種說法，重量減輕1g，價格可提高1美元。一輛碳纖維復(fù)合材料自行車車架比鋁合金車架輕四分之一。重量輕可以降低體能損耗從而提高騎行速度。

b. 車身的總體剛性高

剛度好的車架有利于驅(qū)動力的轉(zhuǎn)換，提高了自行車的操縱性能。碳纖維復(fù)合材料自行車的結(jié)構(gòu)堅固，不容易變形。實踐證明，其車架剛性不低于珞鉬鋼車架。

c.良好的抗震性

結(jié)構(gòu)的自振頻率不僅結(jié)構(gòu)外形有關(guān)，還與材料的比模量平方成正比，高的自振頻率能夠避免了工作狀態(tài)下共振引起的早期破損。據(jù)報道，對形狀與尺寸相同的車架進行試驗表明，鋁合金車架需要9秒才能停止的振動，自振頻率極高的碳纖維復(fù)合材料只需要2.5秒就可以停止，復(fù)合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸，提高了乘騎的舒適性。

d.安全性好

碳纖維復(fù)合材料中的基體是以連續(xù)相形式包圍著獨立存在的碳纖維，構(gòu)成一種動態(tài)不確定體系，當(dāng)材料受到?jīng)_撞時，當(dāng)其中少量纖維發(fā)生斷裂，載荷將會迅速重新分配到未斷裂的纖維上，這樣結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)承載，使騎乘的安全性大大提高了。一般金屬材料的疲勞破壞是很難觀察到明顯的征兆，其破壞往往是突發(fā)性破壞，而碳纖維復(fù)合材料車架具有非常好的抗疲勞性，而且破壞之前能夠觀察到明顯的征兆。研究表明，碳纖維復(fù)合材料車架耐沖撞試驗可超過百萬次。

e .增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度

碳纖維復(fù)合材料具有各向異性的特點，可以利用復(fù)合材料這一特點，根據(jù)自行車在行駛時受載的方向和大小來排列和鋪放纖維。復(fù)合材料制造的靈活性，有利于設(shè)計出各種造型的結(jié)構(gòu)。如可按空氣動力學(xué)原理設(shè)計出流線型自行車，美觀而實用，容易實現(xiàn)最佳性價比。

f. 良好的耐銹蝕性能

高分子材料耐酸、耐堿、耐工業(yè)大氣的性能良好，因此碳纖維復(fù)合材料制成的自行車架有著極好的耐酸堿腐蝕性能。

圖1?CFRP自行車

日前，法國跑車制造商Bugatti 布加迪和荷蘭自行車制造商PG公司共同發(fā)布了一款世界最輕的自行車。該自行車的設(shè)計靈感來源于布加迪的凱龍星運動賽車，由于采用碳纖維復(fù)合材料制造，重量僅為11磅（約4.99kg）。據(jù)美國建筑學(xué)文摘Architectural Digestc稱，該自行車95%采用碳纖維復(fù)合材料制造。

布拉格的捷克技術(shù)大學(xué)采用自動纖維纏繞工藝，結(jié)合連續(xù)纖維管連接開發(fā)的集成循環(huán)技術(shù)（ILT）生產(chǎn)自行車架，以及相關(guān)的組件部件。ILT是一種將結(jié)構(gòu)復(fù)合元件（例如管與連接部件）組合在一起的工藝。所有部件一體成型，之后再組裝起來。

圖2?CFRP管件在自行車中發(fā)揮巨大作用

（2）釣魚竿

對于釣魚愛好者而言，如何判斷何種釣魚竿是最好的？歸結(jié)起來，主要體現(xiàn)在三點：細(xì)、輕和結(jié)實。因此，性能優(yōu)異的釣魚竿需要滿足兩個特性：高剛度和輕量化。

隨著碳纖維的出現(xiàn)與發(fā)展，它為釣魚竿提供了高比強度和高比模量，從而使得這些釣魚竿變得越來越輕，因此，現(xiàn)在的釣魚竿基本上被稱為“碳纖維魚竿”。

圖3?碳纖維釣魚竿

碳纖維增強復(fù)合材料制成的釣魚桿比GFRP制品或價都要輕得多，使其在撤桿時消耗能量少，而且撤桿距比后者遠20%左右。CFRP所制的釣魚竿長而好，剛性大，釣魚竿在彎曲之后能迅速復(fù)原，使其傳遞誘餌的感覺較為靈敏。用碳纖維增強塑料還可以制成漁具的卷鈾，其重量不超過140克，但它的疲勞強度高，耐摩擦，因而使用壽命長。

圖?4?碳纖維釣魚竿

碳纖維復(fù)合材料釣魚竿的優(yōu)點

由于具備輕量化、高剛度等特性，廣受好評，在釣魚過程中，碳纖維釣魚竿的具有優(yōu)勢體現(xiàn)在一下幾個方面：

·由于碳纖維釣魚竿更輕更薄，所以可以用一只手輕松地操縱這些魚竿；

·因為重量輕，因此可防止使用者感到疲勞；

·碳纖維可使魚竿具有更長的長度，而更長的釣魚竿意味著可以覆蓋更廣闊的捕魚區(qū)域；

·碳纖維釣魚竿對魚類的反應(yīng)更為敏感；

碳纖維釣魚竿已經(jīng)使得垂釣者年復(fù)一年愈加狂熱，而這些碳纖維釣魚竿也使得釣魚成為一種大眾娛樂活動，而不是一項基本運動，這就無疑為碳纖維領(lǐng)域創(chuàng)造了一個新的市場。

圖5?碳纖維釣魚竿

（3）網(wǎng)球拍和羽毛球拍

網(wǎng)球拍的發(fā)展趨勢是大型化、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、比強和比模大的碳纖維復(fù)合材料來制造，它可以承受比木質(zhì)拍框更強的網(wǎng)線拉力，以保證擊球時不變形。減振阻尼性好的碳纖維復(fù)合材料，在賦予運動員舒適感的同時也使網(wǎng)球獲得了較大的初速度。

復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍，輕而堅，剛性大，應(yīng)變小，可降低球與球拍接觸時的偏離度，同時，CFRP的阻尼性好，可延長腸線與球的接觸時間，使網(wǎng)球獲得較大的加速度。例如，木制球拍的接觸時間為4.33毫秒，鋼制品為4.09毫秒，CFRP為4.66毫秒，相對應(yīng)的球的初速度則分別為1.38千米/時、149.6千米/時和157.4千米/時。

圖6?碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)球拍

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)制成的羽毛球拍其特點是重量輕、剛性大、避免了木制品因其剛性不足而造成的斷把現(xiàn)象，而且具有減振功能，回彈性好，使擊球、回球距離遠，球落點精度高等優(yōu)點。

（4）高爾夫球桿

1972年美國首先采用碳纖維復(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)動量守恒定理，當(dāng)高爾夫球桿的總重量一定時，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，可使擊球時間延長，球被擊得更遠。

圖7?碳纖維高爾夫球桿

（5）皮劃艇

在皮劃艇上通過使用通常用于防彈領(lǐng)域的芳綸纖維凱夫拉（Kevlar），可以保證結(jié)構(gòu)良好的船只能夠抵抗開裂和破碎。而當(dāng)石墨烯和碳纖維材料用于獨木舟和船殼時，不但可以增加船體運行強度、減輕重量，而且還能增加滑行距離。

圖8?碳纖維復(fù)合材料皮劃艇

圖9?碳纖維復(fù)合材料皮劃艇和漿

（6）賽車

上世紀(jì)80年代，當(dāng)邁凱倫F1車隊用碳纖維材料打造其賽車底盤之后，他們的賽車便在賽場上一騎絕塵。于是邁凱倫的做法被其他車隊爭相模仿，并在之后反哺到各家超跑、高性能車以及民用車上。

目前來講，碳纖維在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要分為兩種：干式與濕式。其中，干式碳纖維在制造時殘余的樹脂量更少，成型后的部件強度更高，價格也更貴，所以被各大超豪華品牌廣泛使用。

而濕式碳纖維內(nèi)的樹脂含量更高，因此在部件強度、制造成本上會比干式的要便宜許多。但不管是干式還是濕式碳纖維，相較常規(guī)材料都有更出色的性能表現(xiàn)。

圖10?碳纖維復(fù)合材料賽車AMR?Pro

戰(zhàn)神AMR Pro的車身采用了特殊的熒光綠色的車漆，還加入了可以看到碳絲排列情況的碳纖維裝飾面板，整車的線條更加修長，側(cè)面的外后視鏡也改為了更加符合動氣動力學(xué)的設(shè)計，前側(cè)翼子板后方采用了多片式的通風(fēng)開口，能夠更好的導(dǎo)出車輪拱內(nèi)的空氣，幾乎要貼著地面的側(cè)裙與前后輪眉相連，鷗翼門設(shè)計也十分迷人，20英寸的前輪和21英寸的后輪都配備了扁平的寬胎和rembo陶瓷碳纖維制動系統(tǒng)，讓整車看上去更加帥氣。

圖11?碳纖維復(fù)合材料內(nèi)飾

車內(nèi)也照搬了F1方程式賽車的經(jīng)典設(shè)計，一體式的碳纖維座艙讓它的整車剛性更好，車頂、座艙與底盤采用碳纖維一體式設(shè)計，整車的剛性更強，路面反饋也更加真實，更加積極。大面積麂皮絨材質(zhì)的鋪陳與裸露的碳纖維材質(zhì)遙相呼應(yīng)，中控臺配備了圓角矩形方向盤，方向盤中間有一塊LCD顯示屏，用來顯示車輛的基本信息，懸浮式的兩塊液晶屏角度偏向駕駛一側(cè)，一體式的碳纖維賽車座椅，輕量化的同時也能為駕駛員帶來更好的包裹和支持。

圖12?碳纖維復(fù)合材料F1賽車

方鯤1，2 ???????劉康1，2?????馬力3?????林毅宏4?

1.北京熱塑性復(fù)合材料工程技術(shù)研究所

2.北京納盛通新材料科技有限責(zé)任公司

3.北京大學(xué)光華管理學(xué)院

4.北京北清聯(lián)投投資有限責(zé)任公司

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