Application and development of carbon fiber composite materials in the field of sports
YU Jinghui*，CHI Bo（Harbin FRPInstituteCo.，Ltd.，Harbin150028）
Abstract：Carbon fiberreinforcedresin based composite materials have theadvantages of high specificstrengthandmodulus，good fatigueandcorrosionresistance，and strongdesignability.Theyare widelyused insportsequipmentand leisure facilities，whichcaneffectivelyimprovethemechanicalpropertiesofsportsequipmentandincreasetheservicelifeoffacilities.Thisarticlestartsfromthedemandforcarbonfibercompositematerialsinthesportsfield，introducestheiraplcations insportsequipmentandleisurefacilities，andfinalllooksforward tothefuturedevelopmentprospectsof thismaterialinthe sports field.
Keywords：CFRP；sports equipment；leisure facilities；sportsfield
1引言
根据《2023全球碳纤维复合材料市场报告》中报道，体育休闲市场在全球碳纤维消费占比达到了 16.3% ，产量达到了18.80千吨，如图1所示，对比 2022年，市场占比上升了 4.7%[1] 。2023年在我国杭州亚运会赛场上，碳纤维复合材料已经应用在体操器械、球类器材、田径器材等产品中，向世界展示了我国体育产业高质量发展的成果[2]
在《“十四五”体育产业发展规划》中提出要实施体育数字化战略，支持人工智能、新材料、新技术在体育领域的创新应用，随着信息技术的飞速发展，科技渐渐从幕后走向台前，在竞技体育中的作用越来越突出[3]。同样，在传统体育器械和休闲体育设施中，碳纤维复合材料应用也越来越广泛。在生活节奏日益加快的现代社会发展中，人们健康意识逐渐增强，越来越重视运动健身和体育休闲，这使得现代化体育运动已经打破了传统的单一化竞技模式，逐渐开始向大众化休闲方向发展。随着体育运动事业的不断发展，体育器材的生产和铸造也要与时俱进。积极创新和开发体育器材，以更好地满足体育事业发展的多样化需求[4]。对于体育器材生产和设计而言，要想取得理想效果，就要结合用户的行为习惯，对运动器材造型进行全面优化，根据不同运动项目特点，对材料选择和应用进行完善，以更好地满足大众的个性化和多样化运动需求。传统竞技体育等体育器材多以木材或金属搭配塑料或橡胶等进行加工制造，但传统材料存在不少问题，不仅饱受诟病，且致使运动效果不甚理想，难以达到健美修身、休闲娱乐的目的[5-6]。而碳纤维复合材料不仅质轻高强、灵活多变，且力学性能优异。
2碳纤维增强复合材料在体育领域中的应用优势
碳纤维增强复合材料（以下简称CFRP）是由增强相碳纤维和基体相树脂及添加剂反应而成，分为热固性和热塑性两种复合材料。热固性增强复合材料包括碳纤维增强环氧树脂、碳纤维增强聚酰亚胺树脂、碳纤维增强聚丙烯酰胺树脂、碳纤维增强酚醛树脂等。CFRP耐腐蚀，强度高，抗疲劳性能优良；热塑性增强复合材料成型工艺简单，损坏部位便于修补，应用范围较广，包括碳纤维增强聚丙烯、碳纤维增强聚甲醛、碳纤维增强聚醚矾、碳纤维增强聚苯硫醚等[7-10] 。
CFRP在体育运动器材中应用广泛，其主要原因是碳纤维复合材料具有低密度和高强度，可以显著减轻器材的质量，提高运动员的操控性和灵活性[]。同时，碳纤维复合材料还具有较长的疲劳寿命和抗冲击性能，能够更好地应对运动器材在高强度运动中可能遇到的挑战，
2.1 质量轻
在体育运动和休闲中，除部分力量型体育器械外，多数运动器材都追求轻便化，以便于体育运动的推广。CFRP材料的密度相对与金属钢、铝具有显著优势。在体育运动过程中使用轻便材质的器材，能减少使用者因器材自重产生的运动消耗，也有利于提升其运动水平，能减少运动阻力，帮助运动员节约体能，从而创造最优竞技成绩[12-13] 。
2.2 力学性能优异
CFRP虽然质量较轻，却具有强度高、抗拉伸、结构稳定、优越的可设计性等优势，耐疲劳性更是传统金属的数倍，能满足高强度体育运动的需求[14]。对比CFRP、钛合金、铝合金的力学性能参数发现，CFRP的拉伸强度约为钛合金的1.6倍、铝合金的3倍；拉伸模量约为钛合金的1.5倍、铝合金的1.9倍；比强度约为钛合金的5倍、铝合金的6倍；比模量约为钛合金的3.9倍、铝合金的3.6倍。
2.3 耐候性强
多数体育器材和休闲设施长期暴露在户外，受降雨、冰雹、日晒、大气污染等因素影响，器材表面会发生老化变形、龟裂、颜色变化等。CFRP材料能在各种恶劣环境下保持稳定，耐腐蚀、耐热性、抗疲劳性优良[15]，具有较强的耐腐蚀性。同时，CFRP的热膨胀系数极小，在耐热性方面表现优异。外界温度达 200°～400° 时，CFRP的膨胀系数近似于零变形；在外太空高低温的温度疲劳下，CFRP始终保持尺寸稳定性。研究发现，在上百次的应力疲劳测试下，CFRP材料保留了约 65% 的强度，部分材料强度可达 85% ；而在相同实验条件下，钢制、铝制材料仅保留 30%～40% 的强度保留率，因此，CFRP材料能有效延长体育器材和休闲设施的使用寿命。
2.4 阻尼性能优良
CFRP基体相材料是高分子聚合物，长链结构在形变时具有黏弹性。对运动中产生的动能、摩擦均可以通过CFRP良好的阻尼性能消耗，体现了优良的减震性能[16-17]。如CFRP 制成的赛车轮毂、板簧、车梁等部件，在运动过程中可减少路面颠簸对运动员造成的冲击力，减少运动过程中的不安全因素。
2.5 可设计性高
随着复合材料成型技术的不断发展，体育器材的可设计性不断提升，碳纤维复合材料最突出的特征在于各向异性，通过对纤维铺叠和结构设计，可以结合体育用户的体力强弱、技能水平、性别、年龄等特征进行多样化设计，以充分发挥体育器材的应用效果，满足用户的个性化运动需求。
3 CFRP在体育领域的应用实例
3.1 球拍类
羽毛球拍、网球拍、乒乓球拍等球拍类是日常锻炼常用的体育器材，球拍的减震效果、强度、扭转性、质量等直接影响球拍的性能。球拍类器材通常包含拍柄和球拍面两部分，质量轻便的材料能减少使用者的体力消耗，同时，CFRP球拍阻尼性强，能很好地吸收冲击力，与球拍添加的低密度发泡材料共同作用，提升球拍击打时的减震效果。Yonex采用纳米碳纤维技术生产的NST700羽毛球拍仅45g，红双喜横拍专业比赛黑檀芳碳H9002系列乒乓球拍仅 70g ，深受体育运动员的欢迎，如图2所示。
3.2 板类
滑雪板、冲浪板、帆船、帆板等板类体育休闲器材在使用过程中，除承受使用者的自身质量，还会受到海水、冰雪、风带来的阻力[18]。因此，板类器材需满足轻便、减震、耐磨等特点。木质板韧性差、易磨损，金属板环境适应性差、易生锈，复合材料板类器材减震性能优良，能缓解运动冲击产生的不适感。碳纤维复合材料制成的夹心结构滑雪板具备质轻耐摩、耐腐蚀、稳定性强等特点，能助力运动员取得优异成绩。美国DPSSKis公司在2024年底推出全碳纤维高山刻滑板Pisteworks，如图3所示。
Frase公司在2024年4月推出了世界上最长的碳纤维双体帆船， 34m 的Mousetrap，如图4所示。这艘帆船拥有流线型的外观和卓越的性能，专为全球航海探险而设计。
3.3 杆棒类
撑杆跳高用撑杆、钓鱼竿、高尔夫球棒等杆棒类体育器材对器械的弹性要求较高，需在外力作用下将弹性势能转化为动能。撑杆跳项目中，运动员将助跑动能转化为撑杆的弹性势能，在弯曲到最大弧度时弹性势能有转化动能，完成撑杆跳运动。从撑杆跳材料的变迁来看，撑杆弹性越强，运动员成绩越高。采用CFRP加工而成的撑杆质轻、韧性强、弹性高。德国的Nordic公司生产的碳纤维撑杆跳高用撑杆重量仅 1.8kg ，长 4.2m ，承重可达100kg ，如图5所示。
中国的光威复材是世界上最大的户外装备公司，生产的碳纤维钓鱼竿经久耐用，具有质轻、高弹性、耐拉伸等特点，如图6所示，满足了业余垂钓及专业赛事需求。
3.4其它
其它如自行车零部件类CFPR的应用，可以提高自行车车架的抗弯曲和抗扭转力，美国SPE-CIALIZED公司生产的S-WorksTarmac系列碳纤维自行车最大抗扭可达 150N⋅M ，如图7所示.
CFRP的运动头盔能够有效的吸收和分散撞击力，运动鞋使用CFRP有效缓冲运动中的动能对身体的冲击损伤还有运动攀岩的绳索、运动场的塑胶跑道、滑梯、跳水跳板等，如图8所示。未来将会出现更多的CFRP体育器材和休闲设施，以满足人们的运动需求。
4结语
CFPR轻量化和高强度的特性，使其成为提高运动器械性能的理想材料。相比传统金属和塑料，CFPR可以制造出更轻便，更坚固的运动器械，这些器械的轻量化设计降低了运动员的负担，使运动员更容易掌控和操作，提高了运动速度和力量，同时还增强了稳定性，帮助运动员提高运动成绩和竞技水平。此外，CFPR良好的可塑性和加工性也使得运动器材的设计更加多样化和个性化，在符合运动员个性化需求的同时，也满足了不同竞技项目对器材性能和要求的不同需求；通过运动保护装备的使用，CFRP可以降低运动员在训练和比赛中受伤的风险，保障运动员的安全和健康，推动了竞技体育技术的发展和进步，也促进了运动科学和技术的创新。未来碳纤维复合材料在竞技体育中的发展前景如下：（1）拓展应用领域和范围。在足球、篮球、排球等球类运动中利用碳纤维复合材料制作球体或球场设施，提高球的弹性和耐磨性，降低球场的摩擦系数和损耗；（2）创新应用方式和模式。在跑步、游泳、跳水等运动中利用碳纤维复合材料制作服装或配件，增加服装的透气性和防水性，降低服装的质量和阻力；（3）结合智能化和数字化技术。在射击、射箭、击剑等运动中利用碳纤维复合材料制作传感器或显示器，实现器械的自动调节和数据分析；（4）加强环境保护。利用碳纤维复合材料制作可回收或可降解的器械或包装，减少对环境的污染和影响。
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