復合材料在體育運動器材方面的開發與應用簡介
復合材料有助于改善所有類型的體育運動器材性能及輕量化的需要。近年來，復合材料在比賽用自行車、各種球棒、攀登墻材等方面的開發應用取得了新的進展。
1).碳纖維復合材料比賽用自行車研發
IVW是于1990年在德國Kaiserslautem市技術大學校園內成立的一個非贏利性質的復合材料研究院。該院的研究計劃及資金來源，由公共基金代理部門支付承擔，或者由工業部門直接撥款。開發技術是與其他高校各學科共同合作為基礎。研究計劃的活動覆蓋整個研發的一個周期，即從科研組合到產品性能和應用。
這里介紹的是IVW研究院“工業”計劃內容之一，碳纖維復合材料比賽用自行車的研發。這種比賽自行車名稱為碳F10。它是由該研究院與位于德國Koblenz市的Canyon Bicycles GmbH共同進行研發的,所制造的自行車架(包括前叉在內，重量恰好為1.26kg)，次使剛度與質量比超過100(STW系數)。盡管詳細的規格尺寸尚未提供，但該研究院提供兩個設計范疇，就是提供車架很高的剛度與質量比。先是車座支柱向下管子外形。近來，碳纖維自行車架傾向于采用圓形或橢圓形兩者中任何一種橫斷面，新近改成氣動。由于碳F10在它的車支柱部位向下管子的外形是圓形，并逐漸改變為矩形橫斷面。IVW研究院之所以堅持這種設計研究，據說可使底部托架的剛度比使用標準圓形橫斷面管子的剛度增加20％。特別是底部托架是承擔高載荷區，原因是在此處連接著腳蹬子。另一個范疇是碳F10車架的唯一形狀是前叉喇叭狀向下管子。選擇這種外形，據說比使用恒定不變直徑的圓柱形管，能承受更大的載荷。這樣的設計結果，提高了車架的彎曲剛度，并減輕了質量。
近，一個歐洲主要的自行車雜志刊登了該自行車的一系列對比試驗，對碳F10比賽自行車進行評比，采用90點的計分方法，碳F10獲75點，它比新式其他競爭自行車賽車l1點。由于碳F10的車架試制成功，Canyon公司宣告，它將與IVW研究院共同開始研發新的比賽自行車架，制造一種山地自行車。
2).一種新原理賽艇
賽艇比賽前冠軍、挪威的Einar Resmussen研發新型的持有潛在刺激原理的水葉賽艇。雖然該賽艇尚沒在商業上使用，但在國際賽艇賽船人會上(在德國的Duisburg舉行)用“水葉原理船”的原型進行演示過，結果表明它適合于Flyak船的個模式。據說，船的輕質和堅固是衡量明顯的關鍵性能。因此，Flyak船的研究小組采用環氧樹脂、碳纖維層壓板及DIAB公司的夾層材制造。Einar認為Flyak要比傳統的賽艇持有速度快得多和穩定得多的潛力。事實上，他堅信Flyak賽艇的使用性能能夠在奧林匹克運動會2000m的8人艇比賽中。
3).一體成型的冰球棒
位于瑞士的Busch SA復合材料公司，是當今惟一能生產一體成型復合材料冰球棒的單位。該公司之所以提倡一體成型加工，在棒的耐久性及參賽性能方面，明顯優于由兩片膠合在一起(葉子和棒)所制造的冰球棒。使用一體加工成型冰球棒用戶主張，一體化棒結構均勻、連續，沒有葉子和棒之間的物理破裂，可提供較好的平衡感和使用感。
據說，該公司于l992年次制造復合材料冰球棒，其耐久性較好，可替代木質冰球棒，在此之后，就在體育項目普遍使用。這種棒由于棒和葉子分開，加工較容易，可是該公司堅信，一體化成型加工的整體棒，其結構足恰當的，避免了連接處出現破裂的弱點。這次開發的一體化成型加工的冰球棒，是擁有權的產品技術，包括在不同密度的泡沫塑料之上面，采用碳纖維、玻璃纖維及芳綸等的鋪層，其后采用RTM方法灌注樹脂。這種制造的結果，要比木質冰球棒的耐久性高7倍，而且還能有很好的震動吸收性(因使用泡沫塑料芯材)以及快速能量釋放性(因采用碳纖維)。目前，上9O％以上的冰球專業比賽，大都使用復合材料冰球棒。
4).救援用復合材料擴展器
TSL救援隊和它的伙伴Comitech與Saint―Gobain Vetrotex公司共同合作研發救援用復合材料擴展器。這種可免費郵寄的高山救援復合材料擴展器，榮獲2005年JEC復合材料的創新獎。
該擴展器是采用真空成型法，由兩種熱塑性復合材料制造的。該項目可追溯到2001年，當時高山警察局(PGHM)、Chamoniarde安全部門及Valdotain阿爾卑斯山救援隊，指望采用新開發的這種擴展器代替已經超過服務20a多的舊的擴展器，即采用更現代化的復合材料制的擴展器更新。據說，這種新型擴展器的關鍵性特征是質量輕、剛性好，使用時被救人員舒適(與20a以上舊的金屬制擴展器相比)，將用它替換舊的金屬制的擴展器。這種新型擴展器容易搬運和安裝卸拆，能在救援現場很快拆裝。
對擴展器經過幾種性能試驗之后，期待新的擴展器在2005年年底由法國和意大利的高山救援隊使用。
5).復合材料制攀登墻
DJP Espace復合材料公司開發出復合材料制攀登墻，并確信，它是目前可移動的大復合材料攀登墻，經測定墻高8m，墻寬6m，質量僅為450kg，能很容易用拖車從一個地方搬運到另一個地方。
該攀登墻由l0塊模型構件夾層復合材料板(每塊板2X9m)構成，裝進一個活動的鋁空架上。安裝組合全部為自動操作。貨到現場，采用l臺電動操縱液壓泵，控制2個活塞，把板材“打開”，從拖車卸下到建造成攀登墻都自動操作。DJP公司評價，在l小時之內能夠很容易攀登到墻上，并且把攀登墻移到一個新地方，調轉方向操作也很簡單。
以前垂直墻提供3條攀登“途徑”，每條“途徑”難度等級不同。提供附加“途徑”的每塊面板，在垂直壁面上能以90度改變。雖然面板被裝進一個鋁架上，它是提供必須的強度和剛度加工裝配的復合材料板。每塊面板生產制造過程，是由DJP公司專門為開發應用此產品而制定的。先采用手工鋪層法將玻璃纖維和環氧樹脂制成有手、腳輪廓特征的蒙皮，然后在其內灌入聚氨酯泡沫塑料加工成面板，這種面板是輕質的(50kg)、耐久性好和剛性好，當運動員攀登時，不因體重踩蹬而撓曲。
鏈接--國內外體育設施和運動器械應用塑料現狀
塑料及復合材料以其特殊的性能，如密度小、易成型、價格便宜(某些先進復合材料除外)、比強度和比模量高等而逐漸地在體育設施和運動器械方面得到廣泛運用，以代替金屬、樹木等。比如摩托、帆板、跳水等項目。器械必須非?？煽?，以大限度地減少傷害的可能性。塑料制品的質量已可以同金屬制品的質量相媲美?，F在，溜冰鞋的輪子已采用耐摩擦和耐磨損的PUR制造；網球拍的骨架已采用GF、CF、芳綸纖維或陶瓷纖維增強的樹脂制造；滑雪棒已采用層壓的復合材料制造；劃槳、吊傘索、高爾夫球、曲棍球棒等也有類似的情況。這些運動器械不但質輕，而且承力方向的強度很高、性能理想。如性能要求比較高的賽艇的帆，現采用復合材料的結構形式：將芳綸纖維織物或定向超高分于量聚乙烯纖維層壓在聚酯薄膜上，因此帆雖然很輕，但強度根高，沒有蠕變問題；現在職業棒球球員和自行車運動員的頭盔面罩是用Pc制成的。
塑料及復合材料在體育設施和運動器械領域已形成了較大的市場，美國的體育和健身器材的銷售額1990年已超過了20億美元，生產制造體育和建身器械的公司到1990年已達到了2500家，1994年全運動器材的復合材料消耗量約24000t，其中滑雪板、擋雪板為6000t(占1/4)，滑雪鞋、擋雪板為1800t，高爾夫球棒為9500t。自行車輻條和車架、旱冰滾動滑板增長也很快。1997年全運動器材中復合材料消耗量為5萬t，（占25％），2000年全高爾夫球棒的CF消耗量達2000t,超過宇航業的CF消耗量。
總之，運動器材，特別是擋雪板、旱冰滾動滑板、山地自行車的快速發展促進了塑料及符合材料在體育設施及運動器材領域的應用.
1).碳纖維復合材料比賽用自行車研發
IVW是于1990年在德國Kaiserslautem市技術大學校園內成立的一個非贏利性質的復合材料研究院。該院的研究計劃及資金來源，由公共基金代理部門支付承擔，或者由工業部門直接撥款。開發技術是與其他高校各學科共同合作為基礎。研究計劃的活動覆蓋整個研發的一個周期，即從科研組合到產品性能和應用。
這里介紹的是IVW研究院“工業”計劃內容之一，碳纖維復合材料比賽用自行車的研發。這種比賽自行車名稱為碳F10。它是由該研究院與位于德國Koblenz市的Canyon Bicycles GmbH共同進行研發的,所制造的自行車架(包括前叉在內，重量恰好為1.26kg)，次使剛度與質量比超過100(STW系數)。盡管詳細的規格尺寸尚未提供，但該研究院提供兩個設計范疇，就是提供車架很高的剛度與質量比。先是車座支柱向下管子外形。近來，碳纖維自行車架傾向于采用圓形或橢圓形兩者中任何一種橫斷面，新近改成氣動。由于碳F10在它的車支柱部位向下管子的外形是圓形，并逐漸改變為矩形橫斷面。IVW研究院之所以堅持這種設計研究，據說可使底部托架的剛度比使用標準圓形橫斷面管子的剛度增加20％。特別是底部托架是承擔高載荷區，原因是在此處連接著腳蹬子。另一個范疇是碳F10車架的唯一形狀是前叉喇叭狀向下管子。選擇這種外形，據說比使用恒定不變直徑的圓柱形管，能承受更大的載荷。這樣的設計結果，提高了車架的彎曲剛度，并減輕了質量。
近，一個歐洲主要的自行車雜志刊登了該自行車的一系列對比試驗，對碳F10比賽自行車進行評比，采用90點的計分方法，碳F10獲75點，它比新式其他競爭自行車賽車l1點。由于碳F10的車架試制成功，Canyon公司宣告，它將與IVW研究院共同開始研發新的比賽自行車架，制造一種山地自行車。
2).一種新原理賽艇
賽艇比賽前冠軍、挪威的Einar Resmussen研發新型的持有潛在刺激原理的水葉賽艇。雖然該賽艇尚沒在商業上使用，但在國際賽艇賽船人會上(在德國的Duisburg舉行)用“水葉原理船”的原型進行演示過，結果表明它適合于Flyak船的個模式。據說，船的輕質和堅固是衡量明顯的關鍵性能。因此，Flyak船的研究小組采用環氧樹脂、碳纖維層壓板及DIAB公司的夾層材制造。Einar認為Flyak要比傳統的賽艇持有速度快得多和穩定得多的潛力。事實上，他堅信Flyak賽艇的使用性能能夠在奧林匹克運動會2000m的8人艇比賽中。
3).一體成型的冰球棒
位于瑞士的Busch SA復合材料公司，是當今惟一能生產一體成型復合材料冰球棒的單位。該公司之所以提倡一體成型加工，在棒的耐久性及參賽性能方面，明顯優于由兩片膠合在一起(葉子和棒)所制造的冰球棒。使用一體加工成型冰球棒用戶主張，一體化棒結構均勻、連續，沒有葉子和棒之間的物理破裂，可提供較好的平衡感和使用感。
據說，該公司于l992年次制造復合材料冰球棒，其耐久性較好，可替代木質冰球棒，在此之后，就在體育項目普遍使用。這種棒由于棒和葉子分開，加工較容易，可是該公司堅信，一體化成型加工的整體棒，其結構足恰當的，避免了連接處出現破裂的弱點。這次開發的一體化成型加工的冰球棒，是擁有權的產品技術，包括在不同密度的泡沫塑料之上面，采用碳纖維、玻璃纖維及芳綸等的鋪層，其后采用RTM方法灌注樹脂。這種制造的結果，要比木質冰球棒的耐久性高7倍，而且還能有很好的震動吸收性(因使用泡沫塑料芯材)以及快速能量釋放性(因采用碳纖維)。目前，上9O％以上的冰球專業比賽，大都使用復合材料冰球棒。
4).救援用復合材料擴展器
TSL救援隊和它的伙伴Comitech與Saint―Gobain Vetrotex公司共同合作研發救援用復合材料擴展器。這種可免費郵寄的高山救援復合材料擴展器，榮獲2005年JEC復合材料的創新獎。
該擴展器是采用真空成型法，由兩種熱塑性復合材料制造的。該項目可追溯到2001年，當時高山警察局(PGHM)、Chamoniarde安全部門及Valdotain阿爾卑斯山救援隊，指望采用新開發的這種擴展器代替已經超過服務20a多的舊的擴展器，即采用更現代化的復合材料制的擴展器更新。據說，這種新型擴展器的關鍵性特征是質量輕、剛性好，使用時被救人員舒適(與20a以上舊的金屬制擴展器相比)，將用它替換舊的金屬制的擴展器。這種新型擴展器容易搬運和安裝卸拆，能在救援現場很快拆裝。
對擴展器經過幾種性能試驗之后，期待新的擴展器在2005年年底由法國和意大利的高山救援隊使用。
5).復合材料制攀登墻
DJP Espace復合材料公司開發出復合材料制攀登墻，并確信，它是目前可移動的大復合材料攀登墻，經測定墻高8m，墻寬6m，質量僅為450kg，能很容易用拖車從一個地方搬運到另一個地方。
該攀登墻由l0塊模型構件夾層復合材料板(每塊板2X9m)構成，裝進一個活動的鋁空架上。安裝組合全部為自動操作。貨到現場，采用l臺電動操縱液壓泵，控制2個活塞，把板材“打開”，從拖車卸下到建造成攀登墻都自動操作。DJP公司評價，在l小時之內能夠很容易攀登到墻上，并且把攀登墻移到一個新地方，調轉方向操作也很簡單。
以前垂直墻提供3條攀登“途徑”，每條“途徑”難度等級不同。提供附加“途徑”的每塊面板，在垂直壁面上能以90度改變。雖然面板被裝進一個鋁架上，它是提供必須的強度和剛度加工裝配的復合材料板。每塊面板生產制造過程，是由DJP公司專門為開發應用此產品而制定的。先采用手工鋪層法將玻璃纖維和環氧樹脂制成有手、腳輪廓特征的蒙皮，然后在其內灌入聚氨酯泡沫塑料加工成面板，這種面板是輕質的(50kg)、耐久性好和剛性好，當運動員攀登時，不因體重踩蹬而撓曲。
鏈接--國內外體育設施和運動器械應用塑料現狀
塑料及復合材料以其特殊的性能，如密度小、易成型、價格便宜(某些先進復合材料除外)、比強度和比模量高等而逐漸地在體育設施和運動器械方面得到廣泛運用，以代替金屬、樹木等。比如摩托、帆板、跳水等項目。器械必須非?？煽?，以大限度地減少傷害的可能性。塑料制品的質量已可以同金屬制品的質量相媲美?，F在，溜冰鞋的輪子已采用耐摩擦和耐磨損的PUR制造；網球拍的骨架已采用GF、CF、芳綸纖維或陶瓷纖維增強的樹脂制造；滑雪棒已采用層壓的復合材料制造；劃槳、吊傘索、高爾夫球、曲棍球棒等也有類似的情況。這些運動器械不但質輕，而且承力方向的強度很高、性能理想。如性能要求比較高的賽艇的帆，現采用復合材料的結構形式：將芳綸纖維織物或定向超高分于量聚乙烯纖維層壓在聚酯薄膜上，因此帆雖然很輕，但強度根高，沒有蠕變問題；現在職業棒球球員和自行車運動員的頭盔面罩是用Pc制成的。
塑料及復合材料在體育設施和運動器械領域已形成了較大的市場，美國的體育和健身器材的銷售額1990年已超過了20億美元，生產制造體育和建身器械的公司到1990年已達到了2500家，1994年全運動器材的復合材料消耗量約24000t，其中滑雪板、擋雪板為6000t(占1/4)，滑雪鞋、擋雪板為1800t，高爾夫球棒為9500t。自行車輻條和車架、旱冰滾動滑板增長也很快。1997年全運動器材中復合材料消耗量為5萬t，（占25％），2000年全高爾夫球棒的CF消耗量達2000t,超過宇航業的CF消耗量。
總之，運動器材，特別是擋雪板、旱冰滾動滑板、山地自行車的快速發展促進了塑料及符合材料在體育設施及運動器材領域的應用.
