碳纖維在體育制品上的應(yīng)用起源于上個(gè)世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)大家把目光都集中在航空航天軍工，畢竟那么高大上的領(lǐng)域，特別是那一段時(shí)間美蘇太空競(jìng)賽，衛(wèi)星、飛船上天，登月計(jì)劃，吸引了全世界的目光。
長(zhǎng)期以來(lái)，碳纖維復(fù)合材料已成功滲透到體育用品中的各個(gè)領(lǐng)域，而體育用品也是繼航空航天后碳纖維應(yīng)用開(kāi)發(fā)的工業(yè)部門.
碳纖維復(fù)合材料因重量輕、高強(qiáng)度、耐疲勞性優(yōu)異等，已成為體育用品行業(yè)的選材料。碳纖維的體育用品市場(chǎng)靈感源于美國(guó)的Jim Flood被稱為高爾夫球界的愛(ài)迪生。1972年，Jim Flood發(fā)現(xiàn)使用碳纖維球桿可以將高爾夫球擊出比鐵桿多30碼的距離。隨后，碳纖維在其他運(yùn)動(dòng)里推廣開(kāi)來(lái)，將其作為金屬材料的替代品，如羽毛球、網(wǎng)球、棒球、滑板、滑雪、自行車、賽艇及射箭等運(yùn)動(dòng)，以及釣魚(yú)等休閑運(yùn)動(dòng)。
2. 碳纖維復(fù)合材料在體育用品上的優(yōu)勢(shì)
隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)生活方式的追求不斷提高，體育運(yùn)動(dòng)已經(jīng)深入到我們每個(gè)人的生活當(dāng)中，健康科學(xué)的訓(xùn)練方式也是人們關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)器材的要求也是越來(lái)越高，新型運(yùn)動(dòng)器材的市場(chǎng)也在不斷的擴(kuò)大，對(duì)于運(yùn)動(dòng)器材的材質(zhì)要求也是越來(lái)越高，碳纖維在重量和強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)，讓它成為了新型運(yùn)動(dòng)器材首選材料之以至于碳纖維在運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，碳纖維在體育用品上面的應(yīng)用都有哪些優(yōu)勢(shì)：
（1） 重量輕
除了特殊體育項(xiàng)目要求重量，人們?cè)谟皿w育用品進(jìn)行鍛煉時(shí)，體育用品當(dāng)然是越輕越好。重量輕能使煉者更好的發(fā)揮水平，比如網(wǎng)球拍、球桿、自行車、滑雪板等，甚至還有一些靠人力之外動(dòng)力使其運(yùn)動(dòng)的器材如賽車、帆船類也同樣要求質(zhì)輕，可減少動(dòng)力要求，節(jié)省燃料。碳纖維在這方面有不可代替的優(yōu)勢(shì)。
（2）良好的力學(xué)性能
碳纖維材料的比強(qiáng)度、比模量是其他材料所不能超越的，其獨(dú)特的力學(xué)性能剛好滿足體育器材的需求，是體育器材可選材料的絕佳選擇。碳纖維復(fù)材主要是樹(shù)脂固化成型，在加工設(shè)計(jì)方面能發(fā)揮更多可能。
（3）安全、衛(wèi)生、環(huán)保
碳纖維復(fù)合材料不僅優(yōu)勢(shì)良多，而且是一種環(huán)保型材料，在衛(wèi)生性及安全性上也有保障，屬于具有特殊性能的新型材料，其除了力學(xué)性能好、可塑性強(qiáng)、安全性高等功能外，還屬于可回收再利用資源。其具有很高的環(huán)保性，便于回收利用的同時(shí)還會(huì)降低成本、節(jié)約資源等，這些特性都將會(huì)成為碳纖維復(fù)合材料在體育運(yùn)動(dòng)器械中廣泛使用的優(yōu)勢(shì)。
（4）可塑性高
可塑性是制造運(yùn)動(dòng)器械的基本條件之一，塑料、碳纖維復(fù)合材料等都具備一定的可塑性。塑料及其合金可以通過(guò)很多方式（吹塑、注塑、擠出、熱成型等）進(jìn)行加工成型，然后再應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)器械中，與其他普通材料相比可塑性更好。隨著我國(guó)體育事業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用到體育運(yùn)動(dòng)器械領(lǐng)域的材料可以通過(guò)更多的加工方式使得運(yùn)動(dòng)器械的性能得以提高。
（5）耐老化性好
運(yùn)動(dòng)器械在實(shí)際應(yīng)用中多處于室外，容易受到太陽(yáng)照射、雷雨等自然環(huán)境的影響，同時(shí)大氣中氧氣、臭氧以及酸性氣體等物質(zhì)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生破壞，再加上氣溫的變化，這些因素都會(huì)影響運(yùn)動(dòng)器械出現(xiàn)老化、裂痕、顏色變化等。因此，體育運(yùn)動(dòng)器械在投入使用時(shí)需要具備良好的耐腐蝕性、耐老化性等，尤其是在露天環(huán)境下對(duì)該方面的要求就更嚴(yán)格，如果耐老化不佳會(huì)嚴(yán)重影響器材的使用壽命。
3. 碳纖維復(fù)合材料在體育及休閑用品中的應(yīng)用
碳纖維體育用品應(yīng)用的領(lǐng)域可以分為兩個(gè)大的方向，一個(gè)是競(jìng)技體育，主要講求高精尖、更高、更快，一個(gè)是用于日常的健身及休閑，需要合適的性價(jià)比。目前碳纖維在體育用品領(lǐng)域，用量最大的幾個(gè)產(chǎn)品是：
（1）自行車
鋼材作為自行車最久的材料，他擁有很好的彈性，成本較低，但由于密度大，易生銹，易疲勞。鋁合金是目前市場(chǎng)上使用普遍的材料，他的重量輕，不會(huì)生銹，但彈性太差，容易疲勞，騎行的舒適感不好。鎂合金的密度比鋁合金要小，基本性能和鋁合金差不多。鈦合金的耐疲勞性比其他金屬材料好，但價(jià)格高，比重卻沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。而碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、彈性好、密度輕、耐腐蝕，由碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的自行車具有以下各方面的特點(diǎn)：
a. 有效降低了自行車的總重量
碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的密度一般只有1.6。只是鋼的五分之一，與鋁材相比，可以減重40%左右。自行車行業(yè)內(nèi)有這樣一種說(shuō)法，重量減輕1g，價(jià)格可提高1美元。一輛碳纖維復(fù)合材料自行車車架比鋁合金車架輕四分之一。重量輕可以降低體能損耗從而提高騎行速度。
b. 車身的總體剛性高
剛度好的車架有利于驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換，提高了自行車的操縱性能。碳纖維復(fù)合材料自行車的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不容易變形。實(shí)踐證明，其車架剛性不低于珞鉬鋼車架。
c.良好的抗震性
結(jié)構(gòu)的自振頻率不僅結(jié)構(gòu)外形有關(guān)，還與材料的比模量平方成正比，高的自振頻率能夠避免了工作狀態(tài)下共振引起的早期破損。據(jù)報(bào)道，對(duì)形狀與尺寸相同的車架進(jìn)行試驗(yàn)表明，鋁合金車架需要9秒才能停止的振動(dòng)，自振頻率極高的碳纖維復(fù)合材料只需要2.5秒就可以停止，復(fù)合材料良好的阻尼性減輕了自行車的顛簸，提高了乘騎的舒適性。
d.安全性好
碳纖維復(fù)合材料中的基體是以連續(xù)相形式包圍著獨(dú)立存在的碳纖維，構(gòu)成一種動(dòng)態(tài)不確定體系，當(dāng)材料受到?jīng)_撞時(shí)，當(dāng)其中少量纖維發(fā)生斷裂，載荷將會(huì)迅速重新分配到未斷裂的纖維上，這樣結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)承載，使騎乘的安全性大大提高了。一般金屬材料的疲勞破壞是很難觀察到明顯的征兆，其破壞往往是突發(fā)性破壞，而碳纖維復(fù)合材料車架具有非常好的抗疲勞性，而且破壞之前能夠觀察到明顯的征兆。研究表明，碳纖維復(fù)合材料車架耐沖撞試驗(yàn)可超過(guò)百萬(wàn)次。
e .增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度
碳纖維復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn)，可以利用復(fù)合材料這一特點(diǎn)，根據(jù)自行車在行駛時(shí)受載的方向和大小來(lái)排列和鋪放纖維。復(fù)合材料制造的靈活性，有利于設(shè)計(jì)出各種造型的結(jié)構(gòu)。如可按空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)出流線型自行車，美觀而實(shí)用，容易實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。
f. 良好的耐銹蝕性能
高分子材料耐酸、耐堿、耐工業(yè)大氣的性能良好，因此碳纖維復(fù)合材料制成的自行車架有著極好的耐酸堿腐蝕性能。
圖1 CFRP自行車
日前，法國(guó)跑車制造商Bugatti 布加迪和荷蘭自行車制造商PG公司共同發(fā)布了一款世界最輕的自行車。該自行車的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于布加迪的凱龍星運(yùn)動(dòng)賽車，由于采用碳纖維復(fù)合材料制造，重量?jī)H為11磅（約4.99kg）。據(jù)美國(guó)建筑學(xué)文摘Architectural Digestc稱，該自行車95%采用碳纖維復(fù)合材料制造。
布拉格的捷克技術(shù)大學(xué)采用自動(dòng)纖維纏繞工藝，結(jié)合連續(xù)纖維管連接開(kāi)發(fā)的集成循環(huán)技術(shù)（ILT）生產(chǎn)自行車架，以及相關(guān)的組件部件。ILT是一種將結(jié)構(gòu)復(fù)合元件（例如管與連接部件）組合在一起的工藝。所有部件一體成型，之后再組裝起來(lái)。
圖2 CFRP管件在自行車中發(fā)揮巨大作用
（2）釣魚(yú)竿
對(duì)于釣魚(yú)愛(ài)好者而言，如何判斷何種釣魚(yú)竿是最好的？歸結(jié)起來(lái)，主要體現(xiàn)在三點(diǎn)：細(xì)、輕和結(jié)實(shí)。因此，性能優(yōu)異的釣魚(yú)竿需要滿足兩個(gè)特性：高剛度和輕量化。
隨著碳纖維的出現(xiàn)與發(fā)展，它為釣魚(yú)竿提供了高比強(qiáng)度和高比模量，從而使得這些釣魚(yú)竿變得越來(lái)越輕，因此，現(xiàn)在的釣魚(yú)竿基本上被稱為“碳纖維魚(yú)竿”。
圖3 碳纖維釣魚(yú)竿
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的釣魚(yú)桿比GFRP制品或價(jià)都要輕得多，使其在撤桿時(shí)消耗能量少，而且撤桿距比后者遠(yuǎn)20%左右。CFRP所制的釣魚(yú)竿長(zhǎng)而好，剛性大，釣魚(yú)竿在彎曲之后能迅速?gòu)?fù)原，使其傳遞誘餌的感覺(jué)較為靈敏。用碳纖維增強(qiáng)塑料還可以制成漁具的卷鈾，其重量不超過(guò)140克，但它的疲勞強(qiáng)度高，耐摩擦，因而使用壽命長(zhǎng)。
圖 4 碳纖維釣魚(yú)竿
碳纖維復(fù)合材料釣魚(yú)竿的優(yōu)點(diǎn)
由于具備輕量化、高剛度等特性，廣受好評(píng)，在釣魚(yú)過(guò)程中，碳纖維釣魚(yú)竿的具有優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：
·由于碳纖維釣魚(yú)竿更輕更薄，所以可以用一只手輕松地操縱這些魚(yú)竿；
·因?yàn)橹亓枯p，因此可防止使用者感到疲勞；
·碳纖維可使魚(yú)竿具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，而更長(zhǎng)的釣魚(yú)竿意味著可以覆蓋更廣闊的捕魚(yú)區(qū)域；
·碳纖維釣魚(yú)竿對(duì)魚(yú)類的反應(yīng)更為敏感；
碳纖維釣魚(yú)竿已經(jīng)使得垂釣者年復(fù)一年愈加狂熱，而這些碳纖維釣魚(yú)竿也使得釣魚(yú)成為一種大眾娛樂(lè)活動(dòng)，而不是一項(xiàng)基本運(yùn)動(dòng)，這就無(wú)疑為碳纖維領(lǐng)域創(chuàng)造了一個(gè)新的市場(chǎng)。
圖5 碳纖維釣魚(yú)竿
（3）網(wǎng)球拍和羽毛球拍
網(wǎng)球拍的發(fā)展趨勢(shì)是大型化、輕量化。目前世界上高、中檔網(wǎng)球拍大多采用碳纖維復(fù)合材料制成。大型網(wǎng)球拍需要采用重量輕、比強(qiáng)和比模大的碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造，它可以承受比木質(zhì)拍框更強(qiáng)的網(wǎng)線拉力，以保證擊球時(shí)不變形。減振阻尼性好的碳纖維復(fù)合材料，在賦予運(yùn)動(dòng)員舒適感的同時(shí)也使網(wǎng)球獲得了較大的初速度。
復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍，輕而堅(jiān)，剛性大，應(yīng)變小，可降低球與球拍接觸時(shí)的偏離度，同時(shí)，CFRP的阻尼性好，可延長(zhǎng)腸線與球的接觸時(shí)間，使網(wǎng)球獲得較大的加速度。例如，木制球拍的接觸時(shí)間為4.33毫秒，鋼制品為4.09毫秒，CFRP為4.66毫秒，相對(duì)應(yīng)的球的初速度則分別為1.38千米/時(shí)、149.6千米/時(shí)和157.4千米/時(shí)。
圖6 碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)球拍
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)制成的羽毛球拍其特點(diǎn)是重量輕、剛性大、避免了木制品因其剛性不足而造成的斷把現(xiàn)象，而且具有減振功能，回彈性好，使擊球、回球距離遠(yuǎn)，球落點(diǎn)精度高等優(yōu)點(diǎn)。
（4）高爾夫球桿
1972年美國(guó)首先采用碳纖維復(fù)合材料制成球桿，到1998年碳纖維高爾夫球桿數(shù)量大幅度超過(guò)鋼桿。高爾夫球桿由握把、桿身、桿頭組成，用碳纖維復(fù)合材料制成的高爾夫球桿可減輕重量約10％～40％。根據(jù)動(dòng)量守恒定理，當(dāng)高爾夫球桿的總重量一定時(shí)，頭重桿輕便于提高揮桿速度，可使球獲得較大的初速度。此外，碳纖維復(fù)合材料具有高阻尼特性，可使擊球時(shí)間延長(zhǎng)，球被擊得更遠(yuǎn)。
圖7 碳纖維高爾夫球桿
（5）皮劃艇
在皮劃艇上通過(guò)使用通常用于防彈領(lǐng)域的芳綸纖維凱夫拉（Kevlar），可以保證結(jié)構(gòu)良好的船只能夠抵抗開(kāi)裂和破碎。而當(dāng)石墨烯和碳纖維材料用于獨(dú)木舟和船殼時(shí)，不但可以增加船體運(yùn)行強(qiáng)度、減輕重量，而且還能增加滑行距離。
圖8 碳纖維復(fù)合材料皮劃艇
圖9 碳纖維復(fù)合材料皮劃艇和漿
（6）賽車
上世紀(jì)80年代，當(dāng)邁凱倫F1車隊(duì)用碳纖維材料打造其賽車底盤(pán)之后，他們的賽車便在賽場(chǎng)上一騎絕塵。于是邁凱倫的做法被其他車隊(duì)爭(zhēng)相模仿，并在之后反哺到各家超跑、高性能車以及民用車上。
目前來(lái)講，碳纖維在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要分為兩種：干式與濕式。其中，干式碳纖維在制造時(shí)殘余的樹(shù)脂量更少，成型后的部件強(qiáng)度更高，價(jià)格也更貴，所以被各大超豪華品牌廣泛使用。
而濕式碳纖維內(nèi)的樹(shù)脂含量更高，因此在部件強(qiáng)度、制造成本上會(huì)比干式的要便宜許多。但不管是干式還是濕式碳纖維，相較常規(guī)材料都有更出色的性能表現(xiàn)。
圖10 碳纖維復(fù)合材料賽車AMR Pro
戰(zhàn)神AMR Pro的車身采用了特殊的熒光綠色的車漆，還加入了可以看到碳絲排列情況的碳纖維裝飾面板，整車的線條更加修長(zhǎng)，側(cè)面的外后視鏡也改為了更加符合動(dòng)氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，前側(cè)翼子板后方采用了多片式的通風(fēng)開(kāi)口，能夠更好的導(dǎo)出車輪拱內(nèi)的空氣，幾乎要貼著地面的側(cè)裙與前后輪眉相連，鷗翼門設(shè)計(jì)也十分迷人，20英寸的前輪和21英寸的后輪都配備了扁平的寬胎和rembo陶瓷碳纖維制動(dòng)系統(tǒng)，讓整車看上去更加帥氣。
圖11 碳纖維復(fù)合材料內(nèi)飾
車內(nèi)也照搬了F1方程式賽車的經(jīng)典設(shè)計(jì)，一體式的碳纖維座艙讓它的整車剛性更好，車頂、座艙與底盤(pán)采用碳纖維一體式設(shè)計(jì)，整車的剛性更強(qiáng)，路面反饋也更加真實(shí)，更加積極。大面積麂皮絨材質(zhì)的鋪陳與裸露的碳纖維材質(zhì)遙相呼應(yīng)，中控臺(tái)配備了圓角矩形方向盤(pán)，方向盤(pán)中間有一塊LCD顯示屏，用來(lái)顯示車輛的基本信息，懸浮式的兩塊液晶屏角度偏向駕駛一側(cè)，一體式的碳纖維賽車座椅，輕量化的同時(shí)也能為駕駛員帶來(lái)更好的包裹和支持。
用碳纖維一體式設(shè)計(jì)，整車的剛性更強(qiáng)，路面反饋也更加真實(shí)，更加積極。大面積麂皮絨材質(zhì)的鋪陳與裸露的碳纖維材質(zhì)遙相呼應(yīng)，中控臺(tái)配備了圓角矩形方向盤(pán)，方向盤(pán)中間有一塊LCD顯示屏，用來(lái)顯示車輛的基本信息，懸浮式的兩塊液晶屏角度偏向駕駛一側(cè)，一體式的碳纖維賽車座椅，輕量化的同時(shí)也能為駕駛員帶來(lái)更好的包裹和支持。
圖12 碳纖維復(fù)合材料F1賽車
