CFRP复合材料在不同运动器材中的结构性能及优势分析

张波

摘要：随着社会的飞速发展，当代人们对体育项目也日益重视起来，为此对体育项目的设备也提出了更高的要求，材料的使用直接影响运动器材的性能。目前，CFRP材料广泛应用于体育器材，大大提高了体育器材的综合使用性能。体育器材针对刚度、密度等方面的要求非常严格。CFRP材料跟传统组成材料做对比，CFER材料的综合性能优势要远高于传统塑料，如今CFER材料已经成为运动器材领域不可缺少的部分。

关键词：CFRP材料；运动设备；复合材料；材料性能

中图分类号：TQ327.3文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）12-0104-03

Analysis of structural performance and advantages of CFRP composites in different sports equipment

ZHANG Bo

（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang  712000，Shaanxi China）

Abstract：With the rapid development of the society，people pay more and more attention to the sports programs，so higher requirements are put forward for sports equipment，and the use of materials directly affects the performance of sports equipment.At present，CFRP materials are widely used in sports equipment，greatly improving the comprehensive performance of sports equipment.The requirements for stiffness and density of sports equipment are very strict.Compared with the traditional constitute materials，the comprehensive performance advantages of CFER materials are much higher than that of the traditional plastics.Now CFER materials have become an indispensable part of the field of sports equipment.

Key words： CFRP materials;sports equipment;composite materials;material properties

我國传统的体育设施绝大部分由铁、不锈钢或者木头制作得出，这些材料制成的器材普遍存在的问题有质量差、安全性差、综合性能差等问题，为此需要改变体育器材的组成材料。CFRP材料主要由碳元素而构成的纤维材料，CFRP材料的质量较轻、耐腐蚀以及强度高，此材料的使用可以完全替代传统塑料以及避免传统塑料带来的问题。

CFRP材料也被称为碳纤维增强塑料，此材料不仅拥有着传统塑料的结构以及性能，但是跟传统的塑料相比，二者之间的区别很大[1]。因此，CFER材料不仅拥有传统塑料的特点，还拥有着传统塑料中不含有的特质。在CFRP材料中，碳纤维是弥散相，塑料是连续相，碳纤维起连接作用，塑料起决定基体结构的作用。

1CFRP的性能优势

CFRP材料中主要包含塑料和碳纤维2种成分，基体相为塑料，增强相为碳纤维，二者间可以的结合不仅可以传递应力，还可以承受应力，换句话来说，CFRP材料中含有塑料和碳纤维2种特性，使其综合性能提升。

（1）力学性能。CFEP材料在减去自身重量时还有效的提升了力学性能，特别适合作为轻型和高强度器材的原料[2-4]。表1展示了CFRP材料与传统材料的性能参数，由此得出，CFRP材料的质轻高强特点比传统的材料强太多。

（2）减震性。塑料整体属于高分子材料，聚合物具有明显的长链结构，聚合物在发生形变时压缩性比普通流体大得多，形变性质兼具固体的弹性和液体的黏性特征；CFEP材料，塑料与碳纤维的深层里面本身就含有许多裂开的细纹[5]。CFEP材料收到外界作用发生振动时，碳纤维与塑料的深层裂纹会产生摩擦力，当外力消失时，部分由于摩擦效应产生的动能转化为热能，即发生内摩擦，即材料的宏观性能有较好的减震效果。

（3）安全等级较高。由表1可知，CFEP材料作为一种新型复合材料，该材料的强度及性能远超于传统金属材料，在使用此材料的时候，如果超出CFEP材料可承受范围，该材料不会直接断裂，而是轻微断裂来防止危险发生[6-8]。

（4）结构设计较随意化。碳纤维作为一维材料，其排序方向决定了该材料的受力状况，利用好碳纤维排列方向进行整体或部分设计，可以有效地提升此材料的受力情况[9]。碳纤维机织物可以使材料具有良好的力学性能。CFEP材料除具有上述优良性能外，还可作为运动器材的原材料，具有良好的环保性能、高抗疲劳性能和使用寿命较长等特性外，这些特点使其运动器材的综合性能大大提升。

2运动器械器材选材原则

2.1质量轻

在体育方面，有很多设施和器材要求自身质量轻，例如自行车、滑雪板、运动鞋、乒乓球拍等，这些运动器材自身质量越轻盈，越容易使运动者发挥出自己的真实水平，质量越轻，使用者消耗的体力就越少，活动的时间也会随之增长[10-11]。此外，还有其他一些器材需利用机械动力来运动，例如电动游艇、电动碰碰车等，这类运动设备也需要自身轻的要求。此类器材在进行日常维修或者保养的时候会更加便捷，会有更好的减震性能。CFEP材料最突出的一点就是质量轻盈。

2.2强度韧性好

如被使用的材料强度以及韧性都很优越，那在使用的过程中会使其材料消耗降低，并且达到体育器材所需要的综合性能。铝、钢拥有着较好的力学性能，铝和钢现在作为我国优先使用的体育器械材料，但跟CFEP材料进行对比，铝和钢的强度与模量却远不及CFEP材料，虽说当下运动器械使用铝和钢作为原材料的占绝大部分，但从长远分析，CFEP材料会逐渐取代铝和钢在运动器材的地位[12]。

2.3抗老化效果

大部分体育器械都属于户外设备，易受自然因素的影响，如雨水和酸性气体的作用等，久而久之就会使体育器械发生掉漆、腐蚀以及老化等现象，导致体育器材的表面发生短期内列，导致体育器材无法正常使用而且无法保证安全。为了预防体育器械老化、腐蚀等现象，体育器械需利用抗老化效果好的材料来延长体育器械的使用寿命，可以综合提高体育器械的性能以及使用时间[13-14]。

3体育器材的成型方法及影响

根据具体的实际案例可以利用多种不同的方法来制作CFEP材料的体育器械，不同的制作方法也会影响到CFEP材料的综合性能，根据不同的体育器材采用不同的制作方法可以有效地提升器材的性能，不仅可以使生产效率提升，还能使生产成本降低，如图1给出了不用的制造体育器材的制备方法及具体应用。

（1）纏绕成型。此制造方法是将碳纤维彻底浸泡在塑料中，将碳纤维缠绕在成型模具周围，并等其凝固取出即可，可以根据运动器材受力来为不同的器材进行不同的排列方向以及缠绕成型的方式，此方法的成型简单易操作[15]；

（2）模压成型。此制造方法是将碳纤维协同塑料一起放进成型模具当中，用高温将其融化，施加一定的压力将其冷却使凝固成型。此类方法比较偏向于大量生产，属于可重复性产品，可以引入自动化生产技术；

（3）RTM成型。此类方法是将碳纤维放入模具中优先定型后，将融化后的基体塑料依次倒入模具中，等待凝固定型即可，该方法可以针对产品进行设计，对生态环境污染较轻，过程较为简单；

（4）拉挤成型。此方法可以将碳纤维放入事先融化的基体塑料中，随后进行挤压以及加热固化的方法，此法可根据基体塑料的量决定产品的性能。

4CFEP材料在杆、棒和板类器材中应用

CFEP材料被广泛应用于体育器材制造已经多年，如今CFEP材料也是当前制造体育器材的首选材料之一。据分析，我国在体育器材制作上的碳纤维用量高于5 500 t，而CFEP材料的使用量已达万吨以上。我国轻工业体育器材制造业的聚集地“珠三角”地区消耗的碳纤维占我国的80%。CFEP材料在球类体育器材以及板类体育器材上得到了广泛应用，例如网球拍、乒乓球拍、滑雪板等等，如今世界各大知名体育器材品牌均在使用CFEP材料。

4.1杆、棒类体育器材

杆、棒类器材对原材料最大的要求就是弹性。例如撑杆、高尔夫球杆以及钓鱼竿等。就拿撑杆来说，撑杆必须要能承受运动员的重量，而且对回弹力要有一定的要求。传统的撑杆由传统的木材加工而成，重量较大而且弹性不足。CFEP撑杆由缠绕成型方式进行加工得出，不仅弹性较强，大幅度提高运动员的水平。高尔夫球杆也同撑杆一样采用缠绕成型方式，利用CFEP材料制作出的高尔夫球杆延长了击球时间以及距离。CFEP材料的钓鱼竿也拥有质请等突出优势[16]。

4.2板类体育器材

板类体育器材主要含有冲浪板、帆船板等，板类体育器材对减震性是唯一的要求。运动员在操控滑雪板的过程中进行转向就需要滑雪板拥有一定的稳定性和减震性，采用CFEP材料以及芳纶－碳纤维混杂材料所制作出的滑雪板，稳定性和减震性都得到了保障。而冲浪板属于水上体育运动的一种，这对冲浪板的防腐蚀性有着很高的要求，而CFEP材料的密度低、防腐蚀性好，利用CFEP材料可以制作出综合性能更好的冲浪板[17-18]。板类成型方式以及材料如表2所示。

4.3球拍类体育器材

球拍类体育器材作为日常生活最常见的运动器材，如今大部分中高端球拍均采用CFEP材料加工制成，不仅可保证球拍拥有高强度弯曲性能而且可以更大尺度的避免变形。CFEP球拍类体育器材的效果是传统球拍无法达到的，虽说重量跟传统的球拍差异不大，但其综合性能却是传统球拍无法比拟的。

5结语

CFEP材料与金属材料具有较大的差异性，CFEP材料整体性能良好、工艺多元化，而且CFEP材料在制作运动设备器材优势显著、成本较低，在体育器材领域发展迅速，必将有广阔的发展。

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