何 鹏
(太原工业学院体育系，山西 太原 030008)
引 言
目前，传统的体育器材大都采用木材或金属材料等，这些材料的物理特性使体育器材的强度受到很大程度上的限制。随着科技的发展，新材料广泛应用于各项体育器材中，甚至成为竞技体育中决定胜负的关键因素[1-3]。基于各种新材料优良的特性，如高的比强度、比模量、质轻，耐磨，阻尼性能好，可设计性强等，显着提高了体育器材的各项性能，使其得到了广泛应用[4-5]。本文就一些已广泛应用于体育器材的新材料，如尼龙纤维复合材料、不饱和聚酯复合材料、碳纤维复合材料及环氧树脂复合材料的性能特点及在体育器材中的应用做了详细介绍。同时，对21世纪炙手可热的新材料，石墨烯复合材料的结构特性及在体育器材中展现的优良特性做了介绍。
1 体育器材用新材料种类
1.1 石墨烯复合材料
石墨烯结构因表面张力过大，一直被认为是理论模型，难以单独稳定存在，直到2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过简单的“机械剥离法”，利用“胶带”从石墨表面“撕”出了单层的碳材料即石墨烯，证实了它可以单独存在。这两位科学家也因在二维石墨烯材料的突出贡献，获得了2010年诺贝尔物理学奖的桂冠。石墨烯可以薄到只有一个碳原子的厚度，是目前已知的世界上最薄、最强、导热性最好且拥有强大柔韧性的纳米材料；它的强度比钢还要高100倍；还具有优异的导电性。
添加适量的石墨烯能使石墨烯高分子纳米复合材料的尺寸稳定性、韧性、耐热性和力学性能同时得到显着提高。石墨烯复合镁基材料与商用AZ31镁合金材料相比，20 ℃的磨损体积减小了89%[6]，与齿轮用WC-Co复合材料相比，添加10 vol%石墨烯后，试样的热疲劳寿命增加209%[7]，大量的理论和实验证明，石墨烯高分子纳米复合材料凭借其高强度、高耐磨、高耐热的特点在体育器材领域有着重要的潜在应用价值。
1.2 尼龙纤维复合材料
1960年前后，为了提高尼龙的耐热性，杜邦公司等开始芳香族聚酰胺的研究。主要产品有两种，一是聚间苯二甲酰间苯二胺 (Nomex纤维)，另外一种是聚对苯二甲酰对苯二胺(Kevlar纤维)。Nomex纤维结构中苯环的存在使分子链不能内旋转，较强的极性酰胺基在分子链之间形成氢键，增大了分子链之间的作用力，苯环与酰胺基之间又可形成共轭体系。因而，聚合物分子链具有很大刚性，可以使聚合物具有以下优良的性能特点，高耐热、高强度、高刚度、耐化学腐蚀、耐高能辐射、难燃、耐潮湿等。Kevlar纤维结构中分子链交替地由苯撑基和极性酰胺基组成，且都呈高密度分布；酰胺基与苯环又可以形成共轭体系；特别是苯撑基比间位苯基对分子链变刚性的影响更大。刚性苯环及高密度氢键使聚合物的玻璃化温度在345 ℃以上，热分解温度达到560 ℃，模量是钢铁的3.5倍，而密度却是其五分之一，断裂强度也远远高于其他材料；同时，使聚合物具有质量轻、抗冲击能力强、耐高温、耐腐蚀、阻燃、膨胀系数小、韧性大的特点[8]。
使用芳香尼龙制成的三维纺织织物复合材料具有高强度，抗冲击性好的优点，并广泛应用于运动防护工具，如防护服、防护手套、护腿板、护膝等。使用芳香尼龙制成的绳索广泛用于滑水绳、滑翔伞绳、降落伞及攀登的绳索等，主要应用的是芳香尼龙的高强，尺寸稳定性好，耐磨，耐潮湿的优良特性[9]。
高抗冲尼龙，超韧尼龙Zytel ST(由EPDM增韧PA66)，一种由0.1 μm～1.0 μm直径的弹性体均匀分布在PA66基体内，组成了分散的两相结构。其冲击强度达到了900 J/m～1 020 J/m，为 PA66的十几倍，同时保留了尼龙本身的耐化学性、挠曲性和耐磨性，也广泛用于运动防护工具，除具有高强度，不易蠕变，耐磨等优良特性外，添加柔韧的弹性体制备的防护工具佩戴舒适，质量轻，透气性好，还具有防震功能。
1.3 不饱和聚酯复合材料
20世纪40年代初，英国的J.R.Whenfield和J.T.Dikeon参阅了美国杜邦公司关于脂肪族二元酸与二元醇合成聚酯的论文，以对苯二甲酸和乙二醇为原料，在实验室中成功地合成了聚对苯二甲酸乙二醇酯，并制成了聚酯纤维。于1946年发表了世界上第一个生产聚酯纤维的专利。不饱和聚酯树脂是指分子链上具有不饱和键(如双键)的聚酯高分子，先由二元酸与二元醇发生酯化反应制成线型聚酯，再溶解于一定量的交联单体(如苯乙烯)进行交联固化，得到体型结构的不饱和聚酯，为热固性树脂。不饱和聚酯的浇筑产品可以用于多种运动器材，包括网球拍、双杠、单杠、助跳板、赛艇、道具、鱼竿、保龄球等[10]。
1.4 碳纤维复合材料
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、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显着的各向异性、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。现在的F1(世界一级方程锦标赛)赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度。如今使用的第四代撑杆主要是采用碳纤维复合材料制成，可以保证撑杆柔韧结实又不会断裂扭结，大幅度提高了运动员的成绩。具有高阻尼特性的碳纤维复合材料也广泛应用于高尔夫球杆，减轻自重10%～40%，可使击球时间延长，球被击得更远。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，可以使网球获得较大的初始速度。比赛专用的自行车多个部位，如车构架，曲轴及座位支架等均使用碳纤维复合材料制成，赋予车体良好的刚性和减震性能[11-13]。
1.5 环氧树脂复合材料
环氧树脂是指在分子结构中含有2个或2个以上环氧基团，在适当的试剂作用下能够交联成三维网状固化物结构的一类重要的热固性树脂。90%以上是双酚A型环氧树脂，即由双酚A和环氧氯丙烷进行缩聚的产物。环氧树脂的分子结构中有脂肪族羟基、醚键和环氧基存在，这些极性基能与金属和硅酸盐等材料的极性表面产生较强的分子间作用力；特别是环氧基可以和含有活性氢的材料表面产生化学键；同时，醚键的存在使树脂的分子链柔顺性较好，有利于在材料表面层的扩散。因此，环氧树脂的黏着性很强，有“万能胶”之称。环氧树脂跑道能够提高运动员的蹬地力量，加快步幅和步频，从而提高运动员的成绩。环氧树脂涂料用于室内场地的铺设，具有较好的柔韧性、弹性和缓冲性，在一定程度上能够减缓地面对运动员的脚踝，膝关节等部位的冲击，极大保护了运动员的身体，并且材料还具有一定的消音性，减少了比赛过程中的噪音干扰[14]。
2 结语
我国对于新材料的研发和使用与欧美发达国家仍有很大差距。随着科技的进步，新材料会被更多人认识和接受，价格也会随之下降，与此同时，其在体育器材中的应用会更加普遍。因此，国家在发展竞技体育的同时，也必须高度重视高新材料的开发，改性和利用，体育事业才能实现更快更好的发展。随着人们个性化需要的不断加大，未来体育器材会向个性化、智能化方向发展，同时，环境友好型、可降解型体育器材用新材料会越来越受到人们的关注。
