碳纤维复合材料广泛应用
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小,因此有很高的“比强度”。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。
为了满足重量轻、刚性大的要求,传统的体育用品大多采用木材及其复合材料制品。但是,碳纤维增强复合材料的力学性能比木材高得多,它的比强度和比模量分别是杉木的4倍和3倍,是梧桐木的3.4倍和4.4倍。因此,它在体育用品方面得到了广泛的应用,其用量几乎占全世界碳纤维总消耗量的40%左右。
在文体用品方面,碳纤维增强复合材料主要用在以下几个方面:
1) 高尔夫球棒
用碳纤维增强塑料(CFRP)制成的高尔夫球棒可减轻重量约10%-40%。根据动量守恒定律,可使球获得较大的初速度。另一方面,CFRP具有高的阻尼特性,可使击球时间延长,球被击得更远。
2) 网球拍
复合材料制成的网球拍,轻而坚固,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138千米/时、149.6千米/时和157.4千米/时。
3) 羽毛球拍
采用碳纤维增强复合材料制造的羽毛球拍,其特点是重量轻、刚性大、避免了木制品因刚性不足而造成的断把现象,同时它还具有与上述网球拍一样的优点。
4) 赛车
用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻,比钢制架可减重50%左右,使自行车的总重量减轻15%。
碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车,它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤,用CFRP制造时为63.5公斤,用CF/GFRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。
5) 滑雪板
用碳纤维增强复合材料制造的滑雪板,其特点是刚性大,耐摩擦,在转弯、斜坡和越野赛中脚底用力较小。用CFRF制造的滑雪杖在运动界也享有盛名。其特点是刚性大,重量轻,一般在150克左右。
此外,碳纤维增强复合材料在体育用品方面还可以制造动力雪撬用的弹簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机等。
聚氨酯受三大球青睐
从1970年到1998年的8届世界杯足球赛上,虽然专用球从制造工艺到材质上出现了一些重大革新,但外观设计上基本采用了以黑白两主色及其他辅色点缀的三角、五边形和六边形等几何图形的拼接方式,没有超出过这种“蜂窝式”的协调模式。
不过2002年,新世纪的第一个世界杯,足球制作工艺也同样迎来了新的变革,一款名为“FEVERNOVA”(飞火流星)的足球是阿迪达斯公司自从推出世界杯专用球以来首次采用的突破常规的设计。
首先在外观上,“飞火流星”尽管采用了传统设计中最常使用的白色作为背景,但在白色背景上画有4个风车模样的金黄色三角形,象徵着代表工业化的涡轮机引擎。在金黄色中间还画有深绿色的三角形,周边镶以红色的火焰。
外观上的创新还只是配角,真正的主角在于制造材料和内部设计的革新。足球的外层采用了由德国拜耳公司开发的新型聚氨酯复合泡沫材料。这种合成泡沫由大小相同、具有高弹性、耐久性特别好的微型单元组成,球员触球后的能量会均匀地被整个球体吸收,改善球体的减振特性,提高了足球的可控性,并使得球速更快,飞行路线也更准确。另外,球体的外层是用一种特别耐磨的聚氨酯材料制成的,使得球体能够在特别恶劣的条件下使用。
测试显示,“飞火流星”不仅完全符合国际足联的各项标准,而且较传统足球的运行准确度提高了25%,速度则提高了10%。不少大牌球星也对其赞不绝口。英国球星贝克汉姆评价说:“尤其在长距离飞行时,球的轨迹会比以前更加准确。”德国队守门员卡恩说:“这款球不会在空中飘摆。”而时任爱尔兰队主教练的麦卡锡则表示,“这种球非常‘活泼’,其飞行路线、下坠速度和反弹角度都与以前有所不同,对守门员的考验最大”。
聚氨酯材料与NBA同样密不可分。当NBA成为一个国际体育界知名的商业品牌时,聚氨酯材料的篮球鞋可谓独领风骚,备受全世界球迷青睐。研究表明,运动时,运动鞋要承受相当于人体重量5~6倍的力量,因此运动鞋质地的好坏直接影响运动员的奔跑及弹跳能力。现代篮球鞋多以人造猄皮及轻质透气的网眼织物组成鞋面,整个鞋底多为聚氨酯材料制成,配以符合篮球运动规律的花纹,使运动员在运动时更显灵活、迅捷。
与此同时,PVC、PU篮球及高级合成革沙滩排球,更为运动员和体育运动爱好者带来了福音。PVC篮球所用材料是聚氯乙烯人造革,它的外皮经过防水处理,性能优于橡胶球,是室内外两用球,适合广大中小学生和初学者使用。使用PU材料制造的篮球在消费群中引起良好反响,该材料表面有细小毛细孔,其特点是可以吸收附着在表面的水分,使表面保持干燥,从而克服因汗水所造成的失控现象。采用高级合成革制作的沙滩排球,具有美观的外形和良好的手感。
篮球革创造新的市场机会
2006年4月,华伦皮塑公司拿到了NBA首批40多万美元订单。华伦皮塑(苏州)有限公司董事长高金岗说,华伦正在非常激烈的竞争中寻找一片新的“蓝海”,这片“蓝海”就是体育用革。
为了给NBA篮球生产皮革,华伦2004年就开始进行研发。NBA篮球对用料要求非常苛刻,皮革不但要耐冲击、止滑性好,还要环保、伸张性一致、导电性好、成形要求高。国内比赛用球的标准是耐冲击力8,000次,而供NBA篮球要耐冲击12,000次。为了检测用华伦皮革制作的篮球质量,一个样品球仅鉴定就需两个月时间。检测方法是抗冲击12,000次后,通过称重查看篮球冲击前后重量差,以及变形情况。结果华伦的皮革全部过关,目前国内只有四家皮革生产厂家能达到这一要求。下一步,华伦准备通过努力,再为中高档品牌“乔丹”篮球提供皮革,“乔丹”篮球各项指标与NBA篮球相同,唯一增加的是环保标准,要求篮球材料绝对无毒无害。“目前,用华伦皮革制作的篮球已经送到英国去检测了,如果通过检测华伦将拿到非常大的订单。”
据世界体育用品联合会提供的数字,目前全世界65%的体育用品是中国制造的,中国已经成为世界上最大的体育用品生产基地。业内人士分析认为,随着体育运动对运动器材的要求越来越苛刻,将先进的塑料复合材料运用到体育用品中来是21世纪体育用品产业发展的主流。相信今后特别是在2008年奥运会上,高科技塑料复合材料将会在各类体育用品上得到更广泛的应用。