碳纖維復合材料在體育器材上的應用
碳纖維是含碳量很高的無機高分子纖維材料它外柔內剛質量比金屬鋁輕而強度卻高于鋼鐵它有四種產品形式纖維布料預浸料坯和切短纖維布料指的是由碳纖維制成的織品預浸料坯是將碳纖維按照一個方向一致排列并將碳纖維或布料經樹脂浸漬使其轉化成片狀切短纖維指的是短絲按照不同的配比這些產品和樹脂一起應用將形成碳纖維增強復合材料CFRP當前用來制造體育運動器材的新材料主要是復合材料而碳纖維復合材料又是其中的佼佼者從某種意義來說現代競技運動是一項向人類體能極限挑戰的運動任何項目世界紀錄微小的提高往往需要和依賴科技的推動利用新材料提升比賽器材的性能從而提高運動成績的案例屢見不鮮
1質量輕
像撐竿高爾夫球桿網球拍自行車滑雪板皮劃艇等靠人力來使其運動的體育器材人們希望其質量越輕越好即使是靠人力以外的其他動力來使其運動的器材如賽車帆船摩托艇等在相同的條件下也以質輕為好碳纖維復合材料在此方面具有不可比擬的優勢其密度為1．76一1．80 g／cm3所制復合材料密度為1．50～1．60 g／co而鋼材約為7．87 g／cm3鋁材2．7 g／cm3鈦材4．5 g／cm3顯然碳纖維復合材料要比金屬材料輕得多
2高比強度和高比模量
碳纖維復合材料的比強度單位質量的強度和比模量單位質量的模量分別是杉木的4倍和3倍梧桐木的3．4倍和4．4倍鋼材的7～1 2倍和35倍突出的比強度比模量使其可用來制造輕而強和剛而堅的各種制品特別適合于制作體育器材
3疲勞強度大
碳纖維結構穩定在其制成復合材料經過百萬次循環應力疲勞試驗后其強度保留率仍可達60％而鋼材為40％鋁材為30％耐疲勞強度高使得體育器材的使用壽命更長
4熱膨脹系數小
碳纖維的熱膨脹系數在室溫時幾乎為負值當溫度為200～400℃時其熱膨脹系數為零當溫度低于1 000℃時其線膨脹系數為1.5×10曲K
5破損安全性能好
在碳纖維復合材料中由于基體的作用在沿纖維方向受拉時各纖維的應變基本相同已斷裂的纖維由于基體傳遞應力的結果除斷口處不發揮作用外其余絕大部分纖維依舊發揮作用個別纖維的斷裂不會引起連鎖反應和災難性的急劇破壞因而破損安全性能很好
6阻尼性能好
碳纖維復合材料的聚合物基體具有黏彈性在基體中和界面上有微裂紋和脫黏的地方還存在著摩擦力在振動過程中黏彈性和摩擦力使一部分動能轉換為熱能因此其阻尼比鋼和鋁合金大若采用特定措施還可以使阻尼增大
7設計自由度大
復合材料成型技術的發展使得設計自由度大大提高纖維復合材料的一個顯著特點是各向異性通過改變纖維的鋪疊方向和方式局部增強或增強某一方向的受力狀況可根據選手的年齡性別技藝水平體力強弱等不同情況加以設計最大限度地發揮體育器材的使用效果這是一般各向同性的金屬材料難以實現的
