基于碳材料在体育器材中的应用
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摘要：碳材料在我国各个行业应用越来越广泛，体育器材领域也不例外，其优越的性能，巨大的潜力，对于提高体育竞技成绩有着一定的影响。本文介绍了碳材料在现阶段体育器材方面应用的优势和主要技术，通过碳材料成熟体育器材的分析，探析碳材料在体育器材中的应用。
关键词：碳材料;体育器材;应用
中图分类号：TQ050.4+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0065-03
随着世界各类体育竞技的高速发展，各国对于体育器材的研究越来越重视，不断探索各种新材料体育器材来推动体育成绩的提高。碳材料及其各种符合材料在体育器材研发中应用越来越广泛，其耐高温、高强度、低重量和很好的防腐蚀性能，备受各类体育器材研发机构的关注。碳材料的应用不仅可以提高各类体育器材的使用舒适性，还能很大程度上提升体育器材的寿命，助推体育事业的进步。
1 碳材料在体育器材应用中的优势
早期体育器材应用方面，使用较多的都是金属类材料、木质类材料，但是由于这些传统材料的性能存在的缺陷已经越来越难以适应现代体育器材的需要，面对体育竞技激烈性的不断提高，竞争难度的不断扩大，新材料体育器材的研发不断深入。碳材料体育器材的出现，能够很好的弥补传统材料在体育器材中的缺陷，越来越受到体育运动员的喜爱，由于其具有的独特优势，已经成为部分体育器材研发的方向。
1.1碳材料体育器材具有质量轻、强度高的特点
在许多的体育运动项目竞赛中，都希望所使用的体育器材同时具备质量轻以及强度高这两个特点，比如网球拍、弓箭、高尔夫球棒、自行车、滑雪板、撑杆等等体育器材。传统材料很难同时满足以上两个特点，而碳材料相较于传统材料在质量和强度两方面能够同时达到很好的效果。碳材料的密度为1.80g/cm3，传统的金属材料比如钢铁的密度是7.9g/cm3，铝的密度是2.7g/cm3，碳材料的密度远远低于常用的传统金属材料，能够在传统材料无法满足的体育器材上得到很好的应用。另一方面，碳材料的强度相较于传统的体育器材材料非常之高，它是一般钢铁材料的3～5倍，是一般木质材料的3～4倍强度，非常适合一些需要高硬度的体育器材。碳材料的这两大特性决定了现代体育器材中碳材料的应用地位。
1.2碳材料体育器材具有高自由度设计的特点
碳材料的应用是可控可调节的，可以根据碳材料内部的含量调配，设计出不同强度不同质量的体育器材。根据部分体育项目中体育器材的特殊需要以及体育运动员自身年龄、体力的不同专门设计出符合要求的碳材料体育器材，这种高自由度设计的特点能够大大提高使用者的器材掌握度，提高竞技水平。碳材料在体育器材的设计中可以根据需求设计出满足不同体育运动的相应器材。通过控制碳材料在基体内的含量，可以对材料的强度进行设计。这样可以满足不同的年龄阶段的使用者和不同体力的运动员的要求。
1.3碳材料体育器材具有高安全性能的特点
碳材料体育器材，特别是碳纤维复合体育器材中，纤维能够随着拉伸力进行应变，部分纤维出现问题也不会影响整体纤维的作用，能够在使用中很好的保障在材料破坏时，不会马上导致整体损坏，进一步保障运动员的个人安全，具有高安全性能。
1.4碳材料体育器材具有长使用寿命的特点
碳材料经过专业研究和实验，经过百万次的疲劳实验后，结果显示碳材料的强度保留率能够到达60%左右，甚至一些性能优越的碳复合材料能够达到80%左右，相较于传统材料钢材的40%和铝材的30%，有极大的提高，表现在具体使用过程中，碳材料的使用寿命比传统金属材料的使用寿命大大延长。
1.5碳材料体育器材具有强尺寸稳定性的特点
热膨胀系数是材料受到外界热量影响下，体积或者线度发生变化的热物理量，是材料尺寸稳定性的物理参数，能够反映出材料的尺寸稳定性能”。碳材料和碳复合材料在室温条件下热膨胀系数为负数，在200～400℃下碳材料的热膨胀系数接近于0，在1000℃下也能很好的保持整体尺寸，由此可见，碳材料体育器材热膨胀系数非常小，碳材料体育器材稳定性非常高，十分适用一些持续高温的运动场所。
2 碳材料在体育器材中应用的主要成型技术
2.1拉挤成型技术
拉挤成型技术主要适用于纤维和织物等复合材料的成型技术中，纤维和织物在外力的牵引下，经过浸润、挤压、加热固化、切割等一系列工艺得到最终的产品。碳材料通过拉挤成型技术在体育器材应用中适用于棒材、管材和其他一些中空材料制品，特别是较长尺寸的体育器材，能够批量生产，通过控制内部树脂的含量，可以对体育器材的力学性能进行调控，比如弓箭、鱼竿、撑杆等等体育产品。
2.2模压成型技术
模压成型技术指的是在规定的温度、压力条件下，通过物料置放于特定金属模腔中进行固化成型的一种技术方法。碳材料運用模压成型技术具有其独特的优点，主要生产效率非常高，能够在大批量体育器材生产中应用，另外生产的体育器材尺寸非常精准，器材表面光滑精致，同时其生产成本相对于其他技术较低，能够结合自动化技术进行现代化自动机械生产，生产出结构性好、强度高、质量轻的体育器材。
2.3缠绕成型技术
缠绕成型技术通过专有的缠绕机，将碳纤维提前浸润并缠绕在固定的模具上，逐步固化成型，在脱去模具形成制品的一种方法。它具有显著的特点，能够通过碳纤维规律排布，进一步扩大碳纤维的强度，从而使得制品强度高质量轻，同时这种生产方法能够实现现代化稳定生产，效率高，成本低，适用于曲面体育器材类产品。
2.4RTM成型技术
RTM全称Resin Transfer Molding，指树脂传递模塑成型，它将树脂放置于密闭的模具中，通过流动、浸润然后固化成形的一种生产工艺。RTM成型能够对产品进行形状进行提前设定，有利于生产不同形状的体育器材，成型比较便利，而且综合性能非常强，又不会对环境造成很大的污染，成本普遍较低，适合自行车和船体的制造。 3 碳材料体育器材应用中的实践
3.1碳材料高尔夫球杆
碳材料高尔夫球杆历史由来已经，47年前碳纤维材料就已经开始用于高尔夫球杆的制造，随着技术的不断提升，碳材料在高尔夫球杆的研发升级过程中应用越来越广。特别是高尔夫球杆的杆头部位，碳纤维材料应用较多，因其具有高自由度设计，能够成型出各种需求结构的材料，有效提高高尔夫球杆的专业性能。使用碳材料制成的高尔夫球杆还能延长击球时间，加大飞行距离。
3.2碳材料网球拍
网球项目竞技比赛也是世界运动中重要的一项体育赛事，网球拍相当于运动员的另一手臂，在比赛中起到很大的影响因子。相对于传统材料而言，碳材料制成的网球拍综合性能较强，已经在高端网球拍领域占领了绝对的霸主地位。碳材料网球拍还同时具有强度高和柔韧性强的特点，在使用过程中不会变形，还能减小震荡，提供优越的握持感，有利于提高运动员的竞技水平和成绩，促进网球运动的发展。
3.3碳材料自行车
自行车赛中自行车的性能在很大程度上影响着最终的竞技成绩，高性能的自行车能为运动员提供良好的发挥空间。碳材料在自行车制造中应用也是越来越多，特别是高端自行车、竞技自行车中，碳材料及其复合材料普遍应用。相比于传统材料的自行车，碳材料自行车能够有效的降低车身重量，减少自行车的阻力，但是在强度方面又有很大的提高。在结构上，碳材料自行车具有良好的外观和舒适性，安全方面也有大幅度的提高，满足体育竞技对于自行车的各项要求，是现代自行车的发展方向。
3.4碳材料撑杆
撑杆跳是世界体育竞技中的重要比赛项目，运动员主要的体育器材就是手中的撑杆，因此撑杆的质量和性能直接影响着撑杆跳的竞技成绩和运动员的安全保障。撑杆的材质经过了木质、竹质、玻璃纤维到现阶段应用广泛的碳材料四个发展阶段。石墨烯是碳材料中的重要材质组成，现阶段撑杆主要通过应用石墨烯、碳纤维材料以其他复合材料，能够很好的降低撑杆重量，同时又能提高撑杆的强度和韧性，在撑杆跳体育竞技中能够为运动员带来优越的弹性势能，提高撑杆跳体育竞技水平和成绩。
3.5碳材料弓箭
射箭项目也是体育竞技中传统的一项赛事，对于弓箭的要求特别之高，良好性能的弓箭能够为运动员提供更高的设计精准度，直接提高射箭项目的体育成绩。碳材料制成的弓箭同样具有高强度轻重量，拉伸强度好，弯曲应力强，能够直接提高弓箭的专业性能，在设计速度和设计距离方面相较于传统材料有大幅度的提高，同时又因抗疲勞能力强，能够使弓箭短时间内多次张弛，提高弓箭的使用寿命，提升运动员的设计精准度，使运动员更容易获得佳绩。
除此之外，碳材料因其具备的独特优势和性能，在文中体育器材外的其他领域也是应用广泛。
4 结语
体育竞技在现代化全球一体的时代中，已经越来越受到各个国家的重视，为提高体育竞技的成绩，各种新材料不断涌现，不断丰富体育赛事对于体育器材的需求。碳材料的出现，已经成为了体育器材中的重要角色，因此不断提高碳材料在体育器材中的研究具有十分重要的意义。
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