現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)體育產(chǎn)生了前所未有的影響。當(dāng)今世界的體育競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上是科技的競(jìng)爭(zhēng)，先進(jìn)新穎的材料是提高體育科技水平的重要條件之一。現(xiàn)在很多運(yùn)動(dòng)中，人的身心刺激幾乎到了極限，勝負(fù)往往在一毫米之內(nèi)。僅靠強(qiáng)壯的肌肉和良好的競(jìng)技狀態(tài)是很難取勝的。運(yùn)動(dòng)員越來(lái)越依賴科學(xué)家的智慧，為設(shè)備而戰(zhàn)。人們期待運(yùn)動(dòng)員通過(guò)運(yùn)動(dòng)裝備的升級(jí)來(lái)挑戰(zhàn)極限。可以說(shuō)，現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)不再是單純的比其他國(guó)家的運(yùn)動(dòng)員更快、更高、更重。運(yùn)動(dòng)員與運(yùn)動(dòng)員之間的競(jìng)爭(zhēng)背后，是國(guó)家和民族科技發(fā)展與人心凝聚的綜合競(jìng)爭(zhēng)。奧運(yùn)會(huì)上的記錄不僅是人類突破生理極限的體現(xiàn)，也是體育科技創(chuàng)新的集中展示。  

   碳纖維是一種含碳量很高的無(wú)機(jī)高分子纖維材料。是“外柔內(nèi)剛”。它的重量比鋁輕，但強(qiáng)度比鋼高。它有四種產(chǎn)品形式:纖維、布、預(yù)浸料和短切纖維。布是指碳纖維制成的織物；預(yù)浸料是碳纖維以一致的方式沿一個(gè)方向排列，碳纖維或布用樹(shù)脂浸漬后轉(zhuǎn)變成薄片；短纖維是指短絲。根據(jù)不同的比例，這些產(chǎn)品和樹(shù)脂將一起使用，形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)。目前用于制造運(yùn)動(dòng)器材的新材料主要是復(fù)合材料，其中以碳纖維復(fù)合材料最好。從某種意義上說(shuō)，現(xiàn)代競(jìng)技運(yùn)動(dòng)是挑戰(zhàn)人類體能極限的運(yùn)動(dòng)。任何項(xiàng)目世界紀(jì)錄的微小提高，往往都需要和依賴于科技的推動(dòng)。使用新材料來(lái)提高比賽器材的性能，從而提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的情況并不少見(jiàn)。

一.碳纖維復(fù)合材料用于運(yùn)動(dòng)器材的優(yōu)勢(shì)

1.良好的破壞安全性能。

   在碳纖維復(fù)合材料中，由于基體的作用，每根纖維沿纖維方向拉伸時(shí)的應(yīng)變基本相同。由于基體傳遞的應(yīng)力，除斷裂外，大部分?jǐn)嗔训睦w維仍在發(fā)揮作用。個(gè)別纖維的斷裂不會(huì)引起連鎖反應(yīng)和災(zāi)難性的尖銳損傷，因此損傷安全性能非常好。

2.減震性能好。

   碳纖維復(fù)合材料聚合物基體具有粘彈性，基體中存在摩擦，界面上存在微裂紋和脫粘的地方。在振動(dòng)過(guò)程中，粘彈性和摩擦力使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。所以它的阻尼比鋼和鋁合金的阻尼大，采取特定的措施可以增加阻尼。

3.設(shè)計(jì)自由度大。

   隨著復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)的自由度大大提高。纖維復(fù)合材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是各向異性，通過(guò)改變纖維鋪放的方向和方式，可以局部增強(qiáng)或加強(qiáng)某一方向的應(yīng)力。可以根據(jù)選手的年齡、性別、技能水平、體力等不同情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大限度地發(fā)揮運(yùn)動(dòng)器材的使用效果，這是一般各向同性金屬材料難以達(dá)到的。

4、重量輕

   運(yùn)動(dòng)器材，如桿子、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車(chē)、滑雪板、皮劃艇等。，靠人力來(lái)搬，人們希望質(zhì)量越輕越好；甚至是依靠人力以外的其他動(dòng)力使其運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，如賽車(chē)、帆船、摩托艇等。，同等條件下應(yīng)該質(zhì)量輕。碳纖維復(fù)合材料在這方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，其密度為1.76-1.80 g/cm3，復(fù)合材料的密度為1.50-1.60g/co，而鋼、鋁、鈦的密度分別約為7.87 g/cm3、2.7 g/cm3、4.5 g/cm3。顯然，碳纖維復(fù)合材料比金屬材料要輕得多。

5.高比強(qiáng)度和模量

   碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度(單位質(zhì)量強(qiáng)度)和比模量(單位質(zhì)量模量)分別是杉木的4倍和3倍，梧桐的3.4倍和4.4倍，鋼的7-12倍和3-5倍。由于其突出的比強(qiáng)度和比模量，可用于制造輕質(zhì)、堅(jiān)固和剛性的產(chǎn)品，特別適合制造運(yùn)動(dòng)器材。

6.高疲勞強(qiáng)度。

    碳纖維的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)，碳纖維制成的復(fù)合材料強(qiáng)度保持率仍可達(dá)60%，而鋼為40%，鋁為30%。高疲勞強(qiáng)度使運(yùn)動(dòng)器材的使用壽命更長(zhǎng)。

7.低熱膨脹系數(shù)

    碳纖維的熱膨脹系數(shù)在室溫下幾乎為負(fù)值，在200 ~ 400℃時(shí)為零。當(dāng)溫度低于1 000℃時(shí)，其線膨脹系數(shù)為1.5×10 kK..

二、碳纖維的產(chǎn)品形式及運(yùn)動(dòng)器材的主要成型技術(shù)

   碳纖維復(fù)合材料通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以整體成型，可以省去很多組合框和組裝框，降低生產(chǎn)成本。隨著技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)器材的成型方法有很多，包括纏繞成型、壓縮成型、RTM成型、拉擠成型等技術(shù)。

1.纏繞成型技術(shù)

   在專用的纏繞機(jī)上，將預(yù)浸料均勻、規(guī)則地纏繞在旋轉(zhuǎn)的芯模上，最后固化、脫模得到產(chǎn)品。纏繞法不僅適用于制造簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)體，如圓柱體、球體和一些正曲率旋轉(zhuǎn)體或圓柱形產(chǎn)品，也適用于非旋轉(zhuǎn)零件的制造。其顯著特點(diǎn)是能根據(jù)制品的受力情況，將纖維按一定規(guī)律排列，充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度，獲得輕質(zhì)高強(qiáng)的制品；技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)連續(xù)機(jī)械化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低；其缺點(diǎn)是產(chǎn)品固化后需要拆下芯模，不適合制造凹曲面的產(chǎn)品。用這種方法，可以制作高爾夫球桿和釣魚(yú)竿。

2.成型技術(shù)

   成型工藝是通過(guò)在封閉的模腔中加熱和加壓來(lái)固化和成型復(fù)合材料產(chǎn)品的方法。成型模具由凹模和凸模組成，增強(qiáng)材料為短切纖維氈、連續(xù)纖維氈和織物。成型法生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品尺寸準(zhǔn)確，表面光滑，特別適合制造大批量、高精度、高重復(fù)性要求的產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品可一次成型，無(wú)需輔助加工(如車(chē)、銑、刨、磨、鉆等。)會(huì)損害產(chǎn)品性能，產(chǎn)品在外觀和尺寸上具有良好的重復(fù)性。其缺點(diǎn)是:模具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，初期投資高，易受設(shè)備限制。

3.RTM成型技術(shù)

   RTM(樹(shù)脂傳遞模塑)是復(fù)合材料常用的成型技術(shù)。該技術(shù)是將纖維或預(yù)制件鋪放在封閉的模腔中，通過(guò)壓力將樹(shù)脂液注入模腔中，浸泡纖維或預(yù)制件，然后固化脫模形成產(chǎn)品。RTM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:可制造高質(zhì)量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件，無(wú)需膠衣樹(shù)脂即可獲得光滑的雙面；從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高；RTM模具和產(chǎn)品可以用CAD設(shè)計(jì)，制造簡(jiǎn)單，選材廣泛。RTM成型構(gòu)件和管件易于實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)或制造局部加厚構(gòu)件，帶芯材的復(fù)合材料可一次成型；RTM工藝揮發(fā)少，有利于保護(hù)工人和生產(chǎn)環(huán)境。目前，RTM技術(shù)一般用于批量生產(chǎn)自行車(chē)和劃艇的車(chē)身部件。

4.拉擠技術(shù)

   用于連續(xù)生產(chǎn)纖維復(fù)合型材。拉擠成型(Pultrusion)是指將纖維束或帶狀織物通過(guò)外力拉伸、浸膠、擠壓、加熱固化、切割成一定長(zhǎng)度，制成特定截面形狀、長(zhǎng)度不限的線形制品的一種方法。它將浸漬后的連續(xù)纖維通過(guò)具有一定截面形狀的成型模具，在模腔內(nèi)固化或在模腔內(nèi)凝膠化，然后取出模具加熱固化。在牽引機(jī)械張力的作用下，可連續(xù)拉出無(wú)限長(zhǎng)的型材產(chǎn)品。拉擠工藝簡(jiǎn)單，效率高；采用拉擠成型制備產(chǎn)品時(shí)，增強(qiáng)纖維沿軸向平行排列，可以有效利用其強(qiáng)度。使用纖維氈增強(qiáng)材料可以制備各向同性產(chǎn)品；使用編織帶可以提高產(chǎn)品的橫向強(qiáng)度。拉擠產(chǎn)品具有強(qiáng)度高、重量輕、易于裝飾和表面質(zhì)量好的特點(diǎn)。這些性能是許多類型的體育設(shè)施和相關(guān)應(yīng)用的理想選擇，例如魚(yú)竿、弓箭、桿子和滑雪杖。

三。碳纖維復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用實(shí)例

   碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度越高，構(gòu)件自重越小；模量越高，構(gòu)件的剛度越大。所以充分利用碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)，可以提高很多運(yùn)動(dòng)的成績(jī)。

1.弓箭

   在射箭項(xiàng)目中，提高射箭器材的性能是提高射箭成績(jī)的重要途徑，而提高其器材性能的主要方法是提高弓箭的專項(xiàng)彈性。當(dāng)今世界上最好的弓是碳纖維復(fù)合材料系列產(chǎn)品。碳纖維復(fù)合材料制成的弓臂(弓片)可承受50公斤/hun 2的彎曲應(yīng)力，賦予箭最大初速和最遠(yuǎn)射程。張馳和碳纖維復(fù)合材料的弓射箭的抗疲勞能力是玻璃鋼和金屬材料無(wú)法比擬的，所以弓臂的使用壽命更長(zhǎng)。

2.自行車(chē)

    隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，自行車(chē)不僅是一種交通工具，還具有健身、旅游、比賽等多種功能。高檔自行車(chē)的車(chē)架、前叉部件、車(chē)輪、曲軸、座椅支架均采用碳纖維復(fù)合材料材質(zhì)，不僅使自行車(chē)外觀更加美觀，還賦予車(chē)身良好的剛性和減震性能。車(chē)身重量進(jìn)一步減輕，乘坐舒適性更好。

    英特爾新材料(http://www.itlxcl.com)有限公司專注于R&D和碳纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)。體育用品方面，研究設(shè)計(jì)彈簧板、冰球棍、游艇、劃艇、劃槳、帆船桅桿、摩托車(chē)零件、登山鞋等體育用品。獲得廣泛的市場(chǎng)。目前已與國(guó)內(nèi)多家運(yùn)動(dòng)器材廠商達(dá)成戰(zhàn)略合作。

3.網(wǎng)球拍

    網(wǎng)球拍的發(fā)展趨勢(shì)是大型化和輕量化。目前世界上的高中檔網(wǎng)球拍，材質(zhì)多為碳纖維復(fù)合材料。一個(gè)大網(wǎng)球拍需要用碳纖維復(fù)合材料做，重量輕，比比強(qiáng)，比模大。能承受比木質(zhì)球拍框更強(qiáng)的網(wǎng)線張力，保證擊球時(shí)不會(huì)變形。阻尼好的碳纖維復(fù)合材料不僅能給球員舒適感，還能讓網(wǎng)球獲得更大的初速度。

4.握住桿子

    撐桿跳在第一屆奧運(yùn)會(huì)上被正式吸收為比賽項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)的桿子是山核桃木做的，結(jié)實(shí)笨重，缺乏彈性，儲(chǔ)能能力差，所以隊(duì)員的動(dòng)能大多被浪費(fèi)了，所以跳出的最好成績(jī)只有3.3m，后來(lái)竹竿取代了木桿，重量輕有利于助跑，而彈性有利于能量轉(zhuǎn)換。20世紀(jì)60年代，運(yùn)動(dòng)員開(kāi)始使用尼龍桿，不久尼龍桿被玻璃纖維桿取代。隨著電桿材料的不斷改革，世界紀(jì)錄一再被刷。如今撐桿已經(jīng)發(fā)展到第四代，玻璃纖維和尼龍被性能更優(yōu)越的碳纖維復(fù)合材料取代。而且可以根據(jù)撐桿的受力差異設(shè)計(jì)不同部位的材料，使整體性能最佳。最新的碳纖維桿能保證桿身靈活牢固不折斷不扭結(jié)，能把運(yùn)動(dòng)員快速助跑的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為桿身的彈性變形能。當(dāng)桿子彎曲到最大弧度時(shí)，這種彈性變形能量可以再次釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)員的勢(shì)能，幫助運(yùn)動(dòng)員起跳，飛越橫桿。

5.高爾夫俱樂(lè)部

    在20世紀(jì)30年代，鋼條是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的高爾夫球桿。1972年，美國(guó)首次使用碳纖維復(fù)合材料制作高爾夫球桿。到1998年，碳纖維高爾夫球桿的數(shù)量已經(jīng)大大超過(guò)了鋼筋。高爾夫球桿由手柄、桿身和桿頭組成。用碳纖維復(fù)合材料制作的高爾夫球桿，重量可以減輕10% ~ 40%左右。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，當(dāng)高爾夫球桿總重量不變時(shí)，桿頭重量輕于揮桿速度，可以使球獲得較大的初速度。另外，碳纖維復(fù)合材料具有高阻尼特性，可以延長(zhǎng)擊球時(shí)間，使球擊得更遠(yuǎn)。