羽毛球拍用碳纤维复合材料的应用及性能研究
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作者:程玉柱
摘 要：随着科技和经济水平的发展，人们的生活水平也逐步提高，人们在注重生活品质的同时也开始在意身体素质。运动就成了人们追求健康的首选方式，而运动器材是运动的主要工具，因此，运动器材的质量也备受人们关注。因此，运动器材的发展将得到很大的发展。随着科技的发展，新型材料的不断出现，体育运动材料的种类也越来越多，其中石墨烯镁基复合材料、碳纤维复合材料等凭借其特有的优势开始在体育运动材料里被使用。其中碳纤维复合材料具有质量轻和强度高等特点在羽毛球拍中被广泛应用，文中阐述了何为碳纤维复合材料以及其具有的優势，分析了其在羽毛球拍中应用的优点等。
关键词：羽毛球拍;碳纤维复合材料;力学性能
中图分类号：TQ327.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2020）10-0075-03
Abstract： With the development of science and technology and economic level， people's living standard has gradually improved. People pay attention to the quality of life and physical quality at the same time. Sports has become the first choice for people to pursue health， and sports equipment is the main tool of sports， so the quality of sports equipment is also concerned by people. Therefore， the development of sports equipment will be greatly developed. With the development of science and technology， the emergence of new materials， more and more kinds of sports materials， including graphene magnesium matrix composite materials， carbon fiber composite materials with its unique advantages began to be used in sports materials. Carbon fiber composite is widely used in badminton racket because of its light weight and high strength. This paper describes what is carbon fiber composite and its advantages， and analyzes its advantages in badminton racket.
Key words：badminton racket;carbon fiber composite;mechanical properties
0 引言
随着科学技术和经济水平的发展，人们的生活水平也逐步提高，人们在注重生活品质的同时也开始在意身体素质，想要追求更高品质的生活。而运动就成为大多数人的首选，运动器材在其中也起着举足轻重的作用，而且体育器材也是影响竞技运动员体育成绩的重要因素之一。因此，体育运动材料领域的发展很重要[1]，新型材料的出现和应用为体育运动材料领域提供了新的动力和基础，新型材料具有的特殊性能在体育运动材料领域占有不可替代的位置。碳纤维复合材料的出现和发展对体育器械材料领域来说至关重要，其将会为体育运动材料行业带来巨大的发展。
1 概述
1.1 碳纤维复合材料
炭纤维复合材料是一种两相复合材料，是由有机纤维转化而成，其具有优异的力学性能，同时还具备碳材料的原本特性，属于一种新型增强纤维。碳纤维复合材料是一种特种纤维，由碳元素组成的其含碳量由种类决定，一般都不低于91.8%，而且其具有碳元素的基本特征，同时又在某些方面高于普通碳元素，可以在多领域应用[2]。因此，碳纤维复合材料是一种具有碳元素基本特性的材料，同时还具有其不具备的特殊优良性能，其应用范围比普通碳元素较为广泛。
1.2 炭纤维复合材料的性能
碳纤维复合材料具有碳元素的基本特征，同时又在某些方面高于普通碳元素（如结构和性能）如图1所示为碳纤维复合材料特殊性能。
1）碳纤维复合材料具有力学性能高的特性。比较适用于那些要求质量轻的体育器材中，其在降低自重的同时还提高了力学性能。如表1所示为碳纤维复合材料与其他传统金属材料的力学性能对比参数，由此可以看出，碳纤维复合材料与传统金属材料相比，具有质量轻和强度大的特点[3]。
2）碳纤维复合材料具有减震性好的特性。
3）碳纤维复合材料安全等级高。碳纤维复合材料是一种复合型材料，从表1可以看出，其与传统金属材料相比在强度和抗击性能上都比较优越。因此，其不会轻易脆断，强度高，安全性好[4]。
4）碳纤维复合材料的机构可自行设计。
处理以上4种特殊优异性能之后，碳纤维复合材料还具有使用寿命长和环保性良好的特征。因此，其作为体育运动器材材料是较好的选择，可以提升体育器材的各项性能。
2 羽毛球拍的发展史
2.1 羽毛球拍应用材料的发展
羽毛球运动发展历史悠久，作为其活动的基础，羽毛球拍的发展也经历了漫长的过程。其从最原始的木质材料发展为新型碳材料。如图2所示为羽毛球拍的材料发展史。 现在的碳材料球拍多为中控结构，外框架主要使用Resin based reinforced carbon fiber、Carbon nanotube reinforced resin或者Multilayer graphene reinforced resin，其中树脂类型主要为Bisphenol A epoxy resin，框架内填充Foamed polyolefin material，这样利用各种材料独有的特性来制作球拍[5]，可以使其在质量轻的同时更有韧性和弹性，而且球杆和球柄的材料使用也是类似的。现阶段的羽毛球拍基本都在使用化工新材料了，如上图3所示。
2.2 性能上的发展与改善
羽毛球拍不仅经历了材料的变化，同时还经历了性能的改变，如表2所示为羽毛球拍发展历程以及性能改善。其中表示为重量单位，1u=95g，2u=90g，3u=80g，1pound=4.45N。
3 碳纤维复合材料的优势
3.1 质量轻
对于有些运动器材来说具有特殊的质量要求（如举重类的），其他大部分器材还是轻便一些比较好，其可以促进运动员得到更好的成绩。一般运动都在追求速度、距离等，因此，运动器械的重量将在其中发挥重要的作用[6]。之前，在科技发展的时期，体育器材大多使用比较自然的材料如金属、木材等，就是我们所说的传统体育器材。而在科技迅速发展的今天，各种新型材料的问世，无疑为体育运动器械领域带来了新原料。其中碳纤维复合材料相比传统的制作球拍类材料，其具有质量轻、密度小等特征，更适用于器材制造。
3.2 结构可自行设计
炭纤维复合材料是一种两相复合材料，是由有机纤维转化而成，其具有碳元素的基本特征，同时又在某些方面高于普通碳元素。碳纤维复合材料的生产工艺可以进行改变，随着体育器材的不同可以做出变化，与其他材料相比其的加工设计没有局限性，其结构可以自行设计，可以随着各种器械的需求进行改变。而且，其经济性优越，成本比其他传统的材料比较相对低，而且具有环保性能。因此，碳纤维复合材料凭借其特殊的性能在体育器材领域发挥着不可替代的作用，随着技术的不断发展，其将在体育器材领域和其他各领域逐渐被得到重用和发展[7]。
4 碳纤维复合材料在羽毛球拍中的案例分析
4.1 案例分析
碳纤维复合材料在球拍类器械中应用广泛，例如羽毛球拍、网球拍等。以羽毛球为例，从结构上来划分，其分为拍面和拍柄。其中拍面需要具有较好的延展性、减震性能和抗冲击性能，因其在运动气的作用是需要控制球的运动轨迹和击打运动中的球;而拍柄是手持的部分与拍面充当的位置不同，其需要具有防滑性（手在运动中容易出汗）和摩擦力，防止球拍脱落。碳纤维复合材料具有的减震性良好，可以帮助运动员提高稳定性，减少震动，使运动员在使用球拍拍打球时更加稳定[8]，还可以减少自身的不适感，从而帮助运动员提高运动成绩。
4.2 发展与展望
炭纤维复合材料是一种两相复合材料，是由有机纤维转化而成，其具有优异的力学性能，同时还具备碳材料的原本特性，属于一种新型增强纤维。因其具有特殊的性能，在体育运动器材领域发挥着不和替代的作用而被广泛的应用[9]。早在上世纪七十年代，日本就开始在羽毛球拍中使用碳纤维材料，而后美国则开始使用碳纤维复合材料进行球拍生产制造，其开启了碳纤维复合材料在球拍界使用的先河。随着科技的不断发展，各国的经济实力和科技实力逐步上升，对新型的化工材料研制相对容易。越来越多的国家开始讲碳纤维复合材料应用到球拍类器械中和更多的体育器械制造中。碳纤维复合材料凭借其特殊的性能，在体育器械领域发挥着不可替代的作用。
5 结语
随着科学技术的发展，新型材料的出现给体育运动材料领域带来了新鲜的血液，其具有的特殊性能在体育运动材料领域发挥着不可替代的作用。碳纤维复合材料是一种综合性材料，其具有优异的性能，被广泛应用于各个领域。对于不同的体育器械其可以发挥不同的作用，在羽毛球拍中其的轻便性和抗震性为羽毛球拍带来很大的改变[10]，同时也间接提高了运动员的成绩。随着科技和体育运动的不断发展，碳纤维复合材料也将会逐步得到重用，同时体育器材也将会向智能化发展，碳纤维在体育运动材料中的应用也将会逐渐提升。
參考文献
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[10]高鹏，周鸿.体育器械用碳纤维复合材料的工艺优化与性能研究[J].合成材料老化与应用，2019（04）：91-94+156.
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