纖維增強復合材料在運動器材中的應用

孫延武

武威第二十三中學，甘肅 武威 733000

近些年，纖維增強復合材料得到快速發展，目前纖維增強復合材料已經形成非常完整的產業體系，并且在很多領域都有廣泛的應用。在全民健身背景之下，越來越多人走進各類運動場所放松身心，鍛煉身體，運動器材的供給成為非常關鍵的一環。纖維增強復合材料應用于運動器材，將發揮出很多獨到的優勢。

1 纖維增強復合材料概述

1.1 纖維增強復合材料發展歷史

纖維增強復合材料，即FRP（Fiber Reinforced Polymer/Plastics）在20 世紀40 年代問世，主要應用于航空航天領域和軍事領域，一直到現在航空航天領域FRP 的應用比例一直在上升，比如客機波音787、空客350，其使用的FRP 比重已經超過50%。

隨著材料制備成本下降，FRP 逐步應用于大眾生活，并且延伸出GFRP、CFRP 等，其中GFRP 主要用于景觀雕塑、座椅、垃圾桶等，CFRP 則主要用于游艇、汽車、自行車、體育休閑器具等。20 世紀60 年代，FRP 被應用于民用建筑，但實際到20 世紀90 年代FRP 加固鋼筋混凝土結構技術的興起，工程界才開始逐步認可FRP。

1.2 纖維增強復合材料基本構成

（1）FRP 劃分。FRP 的構成包括增強相、基體相和界面相。其增強相為纖維材料，主要包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等?；w相則有樹脂基體、陶瓷基體、金屬基體等。界面相則是FRP 制造成型過程當中所形成的纖維與基體之間所形成的過渡區域[1]，在一定程度上可以將FRP 的構成劃分為兩個部分：纖維材料和基體材料。其中纖維材料承擔主要荷載，基體則將纖維黏在一起并且傳遞纖維間的荷載。

從纖維幾何形態的角度來講，FRP 可劃分為單向連續FRP、編織連續FRP 和隨機短切FRP。其中在纖維材料和基體材料基本相同的情況，單向連續FRP 的層內性能更好，一般這類材料主要用在航空航天等高端裝備結構當中。該材料一般是將0.05 ～0.30mm 的單層板材按照不同的角度交錯疊加而成，形成復合層板，在具體工程中根據不同需求厚度最小可達1.00mm，也可達到幾十毫米，還可以將不同層合板通過裝配連接形成典型的復合結構。從纖維材料的微米級別一直到工程中應用的分米乃至米級尺度，可知FRP 及其結構存在多尺度性。一般而言可將其劃分為微觀尺度、介觀尺度和宏觀尺度三種空間尺度。微觀尺度可以簡單理解為基本的纖維、基體和界面，介觀尺度則主要是單層板，宏觀尺度則是單層板堆疊而成的多向層合板。

（2）FRP 典型代表?；谇拔膭澐?，目前市面上常見的FRP 主要有三種，即玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料和芳綸纖維增強復合材料。

其中，玻璃纖維增強復合材料，俗稱玻璃鋼，這種材料主要以合成樹脂為基體，玻璃纖維及其制品作為增強材料。根據基體材料的不同又可劃分不同玻璃鋼。玻璃纖維可以通過回收的廢舊玻璃作為原料，經高溫融化、拉絲、織布等工藝制造。硬而脆的玻璃經過加工后成為玻璃纖維，具有非常高的強度，高柔韌性、抗腐蝕性好，對拉應力的承載效果好，質量輕，強度高（超過普通鋼材），絕緣性好，線膨脹系數低，可耐3800℃瞬時高溫，疲勞性好，但是只能承載拉應力，不能承受壓應力、抗剪性差。其在建筑、公共、電子通信等領域應用廣泛。

碳纖維增強復合材料具備低密度、高強度、高模量、耐高溫等特性。其纖維材料是由有機纖維或低分子烴氣體加熱到1500℃而形成的纖維狀碳，碳含量90%以上。一般碳纖維以拉伸強度作為衡量品質的指標，例如T300，抗拉強度為3.5GPa，屬于中低端品質。為了方便理解可對比鋼材，例如普通鋼材的抗拉強度僅幾百MPa，高于500MPa 的鋼材就是高強度鋼。碳纖維增強復合材料用碳纖維或碳纖維織物作為纖維材料，以樹脂、陶瓷等作為基體。常見的是碳纖維+熱固性樹脂，強度好、輕量化，在航空航天、汽車等領域應用廣泛。

芳綸纖維增強復合材料與玻璃鋼相似，也用樹脂作基體材料，具備高比強度、高比模量、低密度、抗沖擊好、耐疲勞等優點，其纖維材料為芳香族聚酰胺纖維，具備高強度、高模量、抗磨和低密度的特點，是一種有機合成材料，可分為對位芳綸、間位芳綸、雜環芳綸。

（3）纖維增強復合材料失效機理?；谇拔膶RP 空間尺度上的簡要分析，其失效機理在不同的空間尺度下存在不同描述。微觀尺度之下，基于不同應力狀態的典型失效機理包括纖維破壞、纖維—界面—基體脫粘，基體黏塑性變形或者開裂，在微觀尺度上，失效主要表現為更小尺度的裂紋萌生和擴張，由于尺度更小，很難進行物理觀測。

微觀尺度上產生的失效現象進行組合和匯聚形成介觀尺度下的失效，介觀尺度以單層板為基本單元，其失效機理表現為由纖維主導的縱向拉伸或壓縮失效，由基體主導的橫向拉伸、剪切以及縱向剪切失效，相鄰異向堆疊單層板層間失效。當介觀尺度下的失效積累，結構中便會出現非常明顯的宏觀裂紋，此時肉眼都能觀察到，當荷載持續增加，裂紋出現非穩定擴展時，宏觀尺度下的結構就會出現災難性的破壞。

2 纖維增強復合材料在運動器材中的應用

加強體育運動鍛煉顯然具有重要價值意義，而運動器材是絕大部分體育運動不可或缺的要素。運動器材不僅是某些體育運動的載體，也是運動的輔助工具。體育運動并不能盲目參與，否則將可能對身體造成損傷[2]。因此當代體育運動必須講究科學運動，同時要講究運動器材的選擇。運動器材種類繁多，使用纖維增強復合材料的運動器材也有很多種，在文中羅列幾種進行簡要分析。

2.1 纖維增強復合材料運動器材的結構

纖維增強復合材料運動器材，根據不同用途，在結構形式上也有很大的差異。比如乒乓球拍、滑雪板、沖浪板等，這些運動器材主要是板式結構。如網球拍、羽毛球拍、釣魚竿、高爾夫球桿、冰球棒等器材其主體結構也是用纖維增強復合材料制成，主要呈現為管狀結構。又如各類防護頭盔，各種賽艇船體結構等則主要是薄片結構。還有一些特殊用途的器材，比如比賽用車輛的車體、武術運動用的刀劍類道具、登山用繩索等。

2.2 纖維增強復合材料運動器材產品

以滑雪運動的重要裝備——滑雪板為例，滑雪板關系運動員滑雪運動的安全和成績，傳統的滑雪板通常是由木板制成，雖然成本低廉，但由于木材的特殊性質，容易受潮變形甚至失效。還有些滑雪板由鋁合金制造而成，一般價格都很高，而且對雪地要求高，適應性很差。隨著FRP的發展，用FRP 制造滑雪板適應性非常強，維護方便，而且性能好。目前市場上質量好、性能優異的滑雪板產品基本都采用了夾心結構，這種結構實際就是纖維材料+基體材料，可用碳纖維或玻璃纖維+木板、PVC 等。作為基體材料的PVC 或木板可滿足一定彈性要求，纖維材料若是碳纖維可增強滑雪板屈伸度，若是玻璃纖維則可以使夾心結構連接更加緊密，增加其韌性。

又如高爾夫球桿，在20 世紀70 年代高爾夫球桿就開始用碳纖維增強復合材料制作。傳統的高爾夫球桿用長絲纏繞法制作球桿，但是與碳纖維復合材料球桿相比，無論是對高爾夫球的適應性還是本身的重量、負荷等方面都有所不如。目前中高端高爾夫球桿基本都是纖維增強復合材料制作而成。碳纖維增強復合材料制作的球桿具備密度小、高強度、高彈性、耐沖擊等特性，對運動員的發揮也有非常大的幫助。類似的器材如羽毛球拍、魚竿等都是如此。如魚竿，現在市面上無論是競技釣還是野釣，碳素桿都是主流，這種魚竿就是由碳纖維增強復合材料制作而成[3]。

再如自行車，國內早期的自行車重量非常大，車架基本都是高碳鋼。20 世紀七八十年代，滿大街都是鳳凰、永久等品牌自行車，這些自行車在當時如同現在滿大街的奔馳、寶馬，可惜的是進入21 世紀以來，國內的自行車市場便被國外品牌所逐步蠶食。國內自行車市場實際上是非常龐大的，無論是學生、上班族還是老年人都能用自行車鍛煉身體，方便出行，但是由于材質、款式上的落后，直接導致國內自行車火爆短短一段時間便在與國外品牌的競爭中失敗。材質方面，很多高端產品的核心零部件需要進口。20 世紀80 年代，國外一些國家便成功研制出碳纖維自行車，車架重量采用碳纖維材料，重量輕，強度、剛度都非常理想，相比高碳鋼車身如同云泥之別。當然全FRP 材料制造的自行車一般都是比賽用車，著名自行車公路賽車手烏爾里希的比賽用車就是FRP 制造的車型，整車重量僅7.5kg。

3 結束語

纖維增強復合材料由于其特性在運動器材上得到了非常廣泛的應用。將其用在運動器材上具備非常顯著的優勢，FRP 質量輕，很多運動器材需要人力操作，比如羽毛球、乒乓球等運動，需要球拍越輕越好，但需要保證優秀的力學性能，FRP 同樣具備顯著的力學性能。同時FRP 成型技術使得運動器材設計自由度非常高，只要設計出來就能用FRP制造出來。在當前發展體育事業的背景之下，將FRP 應用于運動器材，將顯著促進體育用品產業的發展。