現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展對體育產(chǎn)生了前所未有的影響,。當(dāng)今世界的體育競爭本質(zhì)上是科技的競爭，先進(jìn)新穎的材料是提高體育科技水平的重要條件之一?，F(xiàn)在很多運(yùn)動中，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技狀態(tài)是很難取勝的。運(yùn)動員越來越依賴科學(xué)家的智慧,，為設(shè)備而戰(zhàn),。人們期待運(yùn)動員通過運(yùn)動裝備的升級來挑戰(zhàn)極限?？梢哉f,，現(xiàn)代奧運(yùn)會不再是單純的比其他國家的運(yùn)動員更快、更高,、更重,。運(yùn)動員與運(yùn)動員之間的競爭背后，是國家和民族科技發(fā)展與人心凝聚的綜合競爭,。奧運(yùn)會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方向排列，碳纖維或布用樹脂浸漬后轉(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,，現(xiàn)代競技運(yùn)動是挑戰(zhàn)人類體能極限的運(yùn)動。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,。使用新材料來提高比賽器材的性能，從而提高運(yùn)動成績的情況并不少見,。

一.碳纖維復(fù)合材料用于運(yùn)動器材的優(yōu)勢

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,。個別纖維的斷裂不會引起連鎖反應(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,。在振動過程中，粘彈性和摩擦力使部分動能轉(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)合材料的一個顯著特點(diǎn)是各向異性,，通過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?？梢愿鶕?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)動器材,，如桿子、高爾夫球桿,、網(wǎng)球拍,、自行車、滑雪板,、皮劃艇等,。，靠人力來搬,，人們希望質(zhì)量越輕越好,；甚至是依靠人力以外的其他動力使其運(yùn)動的設(shè)備，如賽車,、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可比擬的優(yōu)勢，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)過數(shù)百萬次循環(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)動器材的使用壽命更長,。

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)動器材的主要成型技術(shù)

   碳纖維復(fù)合材料通過合理的設(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竿,。

2.成型技術(shù)

   成型工藝是通過在封閉的模腔中加熱和加壓來固化和成型復(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,，無需輔助加工(如車、銑,、刨,、磨、鉆等,。)會損害產(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,，通過壓力將樹脂液注入模腔中，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，無需膠衣樹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)自行車和劃艇的車身部件。

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外力拉伸,、浸膠,、擠壓、加熱固化,、切割成一定長度,，制成特定截面形狀、長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)拉出無限長的型材產(chǎn)品,。拉擠工藝簡單,，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，例如魚竿,、弓箭,、桿子和滑雪杖。

三,。碳纖維復(fù)合材料在運(yùn)動器材中的應(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)動的成績,。

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法比擬的,，所以弓臂的使用壽命更長。

2.自行車

    隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展,，自行車不僅是一種交通工具,，還具有健身、旅游,、比賽等多種功能,。高檔自行車的車架、前叉部件,、車輪,、曲軸、座椅支架均采用碳纖維復(fù)合材料材質(zhì),，不僅使自行車外觀更加美觀,，還賦予車身良好的剛性和減震性能。車身重量進(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,、摩托車零件,、登山鞋等體育用品。獲得廣泛的市場,。目前已與國內(nèi)多家運(yùn)動器材廠商達(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,，儲能能力差,，所以隊(duì)員的動能大多被浪費(fèi)了，所以跳出的最好成績只有3.3m,，后來竹竿取代了木桿,，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)動員開始使用尼龍桿，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)動員快速助跑的動能轉(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，轉(zhuǎn)化為運(yùn)動員的勢能,，幫助運(yùn)動員起跳,，飛越橫桿。

5.高爾夫俱樂部

    在20世紀(jì)30年代,，鋼條是美國標(biāo)準(zhǔn)的高爾夫球桿,。1972年，美國首次使用碳纖維復(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，可以延長擊球時(shí)間,，使球擊得更遠(yuǎn),。