碳纤维复合材料在体育休闲领域的应用及主要制造工艺 复材云集|复合材料

　　1.  引言

　　碳纤维在体育制品上的应用起源于上个世纪70年代，当时大家把目光都集中在航空航天军工，毕竟那么高大上的领域，特别是那一段时间美苏太空竞赛，卫星、飞船上天，登月计划，吸引了全世界的目光。

　　长期以来，碳纤维复合材料已成功渗透到体育用品中的各个领域，而体育用品也是继航空航天后碳纤维应用开发的工业部门.

　　碳纤维复合材料因重量轻、高强度、耐疲劳性优异等，已成为体育用品行业的选材料。碳纤维的体育用品市场灵感源于美国的Jim Flood被称为高尔夫球界的爱迪生。1972年，Jim Flood发现使用碳纤维球杆可以将高尔夫球击出比铁杆多30码的距离。随后，碳纤维在其他运动里推广开来，将其作为金属材料的替代品，如羽毛球、网球、棒球、滑板、滑雪、自行车、赛艇及射箭等运动，以及钓鱼等休闲运动。

　　2. 碳纤维复合材料在体育用品上的优势

　　随着社会的进步，人们对生活方式的追求不断提高，体育运动已经深入到我们每个人的生活当中，健康科学的训练方式也是人们关注的重点，对运动器材的要求也是越来越高，新型运动器材的市场也在不断的扩大，对于运动器材的材质要求也是越来越高，碳纤维在重量和强度方面的优势，让它成为了新型运动器材首选材料之以至于碳纤维在运动器材领域应用越来越广泛，碳纤维在体育用品上面的应用都有哪些优势：

　　（1） 重量轻

　　除了特殊体育项目要求重量，人们在用体育用品进行锻炼时，体育用品当然是越轻越好。重量轻能使炼者更好的发挥水平，比如网球拍、球杆、自行车、滑雪板等，甚至还有一些靠人力之外动力使其运动的器材如赛车、帆船类也同样要求质轻，可减少动力要求，节省燃料。碳纤维在这方面有不可代替的优势。

　　（2）良好的力学性能

　　碳纤维材料的比强度、比模量是其他材料所不能超越的，其独特的力学性能刚好满足体育器材的需求，是体育器材可选材料的绝佳选择。碳纤维复材主要是树脂固化成型，在加工设计方面能发挥更多可能。

　　（3）安全、卫生、环保

　　碳纤维复合材料不仅优势良多，而且是一种环保型材料，在卫生性及安全性上也有保障，属于具有特殊性能的新型材料，其除了力学性能好、可塑性强、安全性高等功能外，还属于可回收再利用资源。其具有很高的环保性，便于回收利用的同时还会降低成本、节约资源等，这些特性都将会成为碳纤维复合材料在体育运动器械中广泛使用的优势。

　　（4）可塑性高

　　可塑性是制造运动器械的基本条件之一，塑料、碳纤维复合材料等都具备一定的可塑性。塑料及其合金可以通过很多方式（吹塑、注塑、挤出、热成型等）进行加工成型，然后再应用到运动器械中，与其他普通材料相比可塑性更好。随着我国体育事业的发展，应用到体育运动器械领域的材料可以通过更多的加工方式使得运动器械的性能得以提高。

　　（5）耐老化性好

　　运动器械在实际应用中多处于室外，容易受到太阳照射、雷雨等自然环境的影响，同时大气中氧气、臭氧以及酸性气体等物质也会对其产生破坏，再加上气温的变化，这些因素都会影响运动器械出现老化、裂痕、颜色变化等。因此，体育运动器械在投入使用时需要具备良好的耐腐蚀性、耐老化性等，尤其是在露天环境下对该方面的要求就更严格，如果耐老化不佳会严重影响器材的使用寿命。

　　3. 碳纤维复合材料在体育及休闲用品中的应用

　　碳纤维体育用品应用的领域可以分为两个大的方向，一个是竞技体育，主要讲求高精尖、更高、更快，一个是用于日常的健身及休闲，需要合适的性价比。目前碳纤维在体育用品领域，用量最大的几个产品是：

　　（1）自行车

　　钢材作为自行车最久的材料，他拥有很好的弹性，成本较低，但由于密度大，易生锈，易疲劳。铝合金是目前市场上使用普遍的材料，他的重量轻，不会生锈，但弹性太差，容易疲劳，骑行的舒适感不好。镁合金的密度比铝合金要小，基本性能和铝合金差不多。钛合金的耐疲劳性比其他金属材料好，但价格高，比重却没有优势。而碳纤维复合材料强度高、弹性好、密度轻、耐腐蚀，由碳纤维复合材料生产的自行车具有以下各方面的特点：

　　a. 有效降低了自行车的总重量

　　碳纤维树脂基复合材料的密度一般只有1.6。只是钢的五分之一，与铝材相比，可以减重40%左右。自行车行业内有这样一种说法，重量减轻1g，价格可提高1美元。一辆碳纤维复合材料自行车车架比铝合金车架轻四分之一。重量轻可以降低体能损耗从而提高骑行速度。

　　b. 车身的总体刚性高

　　刚度好的车架有利于驱动力的转换，提高了自行车的操纵性能。碳纤维复合材料自行车的结构坚固，不容易变形。实践证明，其车架刚性不低于珞钼钢车架。

　　c.良好的抗震性

　　结构的自振频率不仅结构外形有关，还与材料的比模量平方成正比，高的自振频率能够避免了工作状态下共振引起的早期破损。据报道，对形状与尺寸相同的车架进行试验表明，铝合金车架需要9秒才能停止的振动，自振频率极高的碳纤维复合材料只需要2.5秒就可以停止，复合材料良好的阻尼性减轻了自行车的颠簸，提高了乘骑的舒适性。

　　d.安全性好

　　碳纤维复合材料中的基体是以连续相形式包围着独立存在的碳纤维，构成一种动态不确定体系，当材料受到冲撞时，当其中少量纤维发生断裂，载荷将会迅速重新分配到未断裂的纤维上，这样结构还能继续承载，使骑乘的安全性大大提高了。一般金属材料的疲劳破坏是很难观察到明显的征兆，其破坏往往是突发性破坏，而碳纤维复合材料车架具有非常好的抗疲劳性，而且破坏之前能够观察到明显的征兆。研究表明，碳纤维复合材料车架耐冲撞试验可超过百万次。

　　e .增加了结构设计的自由度

　　碳纤维复合材料具有各向异性的特点，可以利用复合材料这一特点，根据自行车在行驶时受载的方向和大小来排列和铺放纤维。复合材料制造的灵活性，有利于设计出各种造型的结构。如可按空气动力学原理设计出流线型自行车，美观而实用，容易实现最佳性价比。

　　f. 良好的耐锈蚀性能

　　高分子材料耐酸、耐碱、耐工业大气的性能良好，因此碳纤维复合材料制成的自行车架有着极好的耐酸碱腐蚀性能。

　　图1 CFRP自行车

　　日前，法国跑车制造商Bugatti 布加迪和荷兰自行车制造商PG公司共同发布了一款世界最轻的自行车。该自行车的设计灵感来源于布加迪的凯龙星运动赛车，由于采用碳纤维复合材料制造，重量仅为11磅（约4.99kg）。据美国建筑学文摘Architectural Digestc称，该自行车95%采用碳纤维复合材料制造。

　　布拉格的捷克技术大学采用自动纤维缠绕工艺，结合连续纤维管连接开发的集成循环技术（ILT）生产自行车架，以及相关的组件部件。ILT是一种将结构复合元件（例如管与连接部件）组合在一起的工艺。所有部件一体成型，之后再组装起来。

　　图2 CFRP管件在自行车中发挥巨大作用

　　（2）钓鱼竿

　　对于钓鱼爱好者而言，如何判断何种钓鱼竿是最好的？归结起来，主要体现在三点：细、轻和结实。因此，性能优异的钓鱼竿需要满足两个特性：高刚度和轻量化。

　　随着碳纤维的出现与发展，它为钓鱼竿提供了高比强度和高比模量，从而使得这些钓鱼竿变得越来越轻，因此，现在的钓鱼竿基本上被称为“碳纤维鱼竿”。

　　图3 碳纤维钓鱼竿

　　碳纤维增强复合材料制成的钓鱼杆比GFRP制品或价都要轻得多，使其在撤杆时消耗能量少，而且撤杆距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过140克，但它的疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。

　　图 4 碳纤维钓鱼竿

　　碳纤维复合材料钓鱼竿的优点

　　由于具备轻量化、高刚度等特性，广受好评，在钓鱼过程中，碳纤维钓鱼竿的具有优势体现在一下几个方面：

　　·由于碳纤维钓鱼竿更轻更薄，所以可以用一只手轻松地操纵这些鱼竿；

　　·因为重量轻，因此可防止使用者感到疲劳；

　　·碳纤维可使鱼竿具有更长的长度，而更长的钓鱼竿意味着可以覆盖更广阔的捕鱼区域；

　　·碳纤维钓鱼竿对鱼类的反应更为敏感；

　　碳纤维钓鱼竿已经使得垂钓者年复一年愈加狂热，而这些碳纤维钓鱼竿也使得钓鱼成为一种大众娱乐活动，而不是一项基本运动，这就无疑为碳纤维领域创造了一个新的市场。

　　图5 碳纤维钓鱼竿

　　（3）网球拍和羽毛球拍

　　网球拍的发展趋势是大型化、轻量化。目前世界上高、中档网球拍大多采用碳纤维复合材料制成。大型网球拍需要采用重量轻、比强和比模大的碳纤维复合材料来制造，它可以承受比木质拍框更强的网线拉力，以保证击球时不变形。减振阻尼性好的碳纤维复合材料，在赋予运动员舒适感的同时也使网球获得了较大的初速度。

　　复合材料制成的网球拍，轻而坚，刚性大，应变小，可降低球与球拍接触时的偏离度，同时，CFRP的阻尼性好，可延长肠线与球的接触时间，使网球获得较大的加速度。例如，木制球拍的接触时间为4.33毫秒，钢制品为4.09毫秒，CFRP为4.66毫秒，相对应的球的初速度则分别为1.38千米/时、149.6千米/时和157.4千米/时。

　　图6 碳纤维复合材料网球拍

　　碳纤维增强复合材料(CFRP)制成的羽毛球拍其特点是重量轻、刚性大、避免了木制品因其刚性不足而造成的断把现象，而且具有减振功能，回弹性好，使击球、回球距离远，球落点精度高等优点。

　　（4）高尔夫球杆

　　1972年美国首先采用碳纤维复合材料制成球杆，到1998年碳纤维高尔夫球杆数量大幅度超过钢杆。高尔夫球杆由握把、杆身、杆头组成，用碳纤维复合材料制成的高尔夫球杆可减轻重量约10％～40％。根据动量守恒定理，当高尔夫球杆的总重量一定时，头重杆轻便于提高挥杆速度，可使球获得较大的初速度。此外，碳纤维复合材料具有高阻尼特性，可使击球时间延长，球被击得更远。

　　图7 碳纤维高尔夫球杆

　　（5）皮划艇

　　在皮划艇上通过使用通常用于防弹领域的芳纶纤维凯夫拉（Kevlar），可以保证结构良好的船只能够抵抗开裂和破碎。而当石墨烯和碳纤维材料用于独木舟和船壳时，不但可以增加船体运行强度、减轻重量，而且还能增加滑行距离。

　　图8 碳纤维复合材料皮划艇

　　图9 碳纤维复合材料皮划艇和浆

　　（6）赛车

　　上世纪80年代，当迈凯伦F1车队用碳纤维材料打造其赛车底盘之后，他们的赛车便在赛场上一骑绝尘。于是迈凯伦的做法被其他车队争相模仿，并在之后反哺到各家超跑、高性能车以及民用车上。

　　目前来讲，碳纤维在汽车行业的应用主要分为两种：干式与湿式。其中，干式碳纤维在制造时残余的树脂量更少，成型后的部件强度更高，价格也更贵，所以被各大超豪华品牌广泛使用。

　　而湿式碳纤维内的树脂含量更高，因此在部件强度、制造成本上会比干式的要便宜许多。但不管是干式还是湿式碳纤维，相较常规材料都有更出色的性能表现。

　　图10 碳纤维复合材料赛车AMR Pro

　　战神AMR Pro的车身采用了特殊的荧光绿色的车漆，还加入了可以看到碳丝排列情况的碳纤维装饰面板，整车的线条更加修长，侧面的外后视镜也改为了更加符合动气动力学的设计，前侧翼子板后方采用了多片式的通风开口，能够更好的导出车轮拱内的空气，几乎要贴着地面的侧裙与前后轮眉相连，鸥翼门设计也十分迷人，20英寸的前轮和21英寸的后轮都配备了扁平的宽胎和rembo陶瓷碳纤维制动系统，让整车看上去更加帅气。

　　图11 碳纤维复合材料内饰

　　车内也照搬了F1方程式赛车的经典设计，一体式的碳纤维座舱让它的整车刚性更好，车顶、座舱与底盘采用碳纤维一体式设计，整车的刚性更强，路面反馈也更加真实，更加积极。大面积麂皮绒材质的铺陈与裸露的碳纤维材质遥相呼应，中控台配备了圆角矩形方向盘，方向盘中间有一块LCD显示屏，用来显示车辆的基本信息，悬浮式的两块液晶屏角度偏向驾驶一侧，一体式的碳纤维赛车座椅，轻量化的同时也能为驾驶员带来更好的包裹和支持。

　　图12 碳纤维复合材料F1赛车

　　方鲲1，2        刘康1，2     马力3     林毅宏4

　　1.北京热塑性复合材料工程技术研究所

　　2.北京纳盛通新材料科技有限责任公司

　　3.北京大学光华管理学院

　　4.北京北清联投投资有限责任公司