在倡导“全民健身”的今天，人们愈加关注个人的身体健康问题，通过参与各种各样的体育运动可达到强健体魄、保持身心健康的目的。由此一来，体育运动事业得到了迅猛的发展。据统计，我国体育运动事业的年产值已突破千亿元，体育运动已成为一项产业，推动着我国国民经济的发展。

在体育运动产业中，体育设施和体育器材的质量决定着整个产业的发展，传统的体育设施和器材普遍采用笨重的钢铁结构或木质结构制成，普遍存在质量过大、性能差、不耐腐蚀、安全性差、价格高等问题，在使用过程中的体验很差，难以普及。随着塑料产业的蓬勃发展，带动了以塑料为原材料的体育器材逐渐进入人们的视野中，然而纯的塑料强度低、不耐光照等，因此通常需要对塑料进行改性来满足其用作体育器材原材料的需要。碳纤维是以碳元素为主要构成物质的纤维材料，通常可由有机纤维经过碳化处理得到，碳纤维质轻，且强度和模量高，又极耐腐蚀，可弥补纯塑料的多种性能缺陷。采用碳纤维增强处理的塑料具有质轻、强度高、模量高、高抗冲、阻尼性能(即减震性)好、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀等诸多优点。因此，碳纤维增强塑料在体育器材制造和加工中的应用得到了诸多学者的关注，也有较多的应用实例，本文主要从体育器材中碳纤维增强塑料的应用进行展开论述。

01 碳纤维增强塑料概述

碳纤维增强塑料是一种两相复合材料，因此其具有原始各相的结构和性能，但是又不同于其中的任一相。因此，它既保留了原始各相材料的特色，又具有原始各相材料不具备的特质，主要体现在结构和性能方面。

01 碳纤维增强塑料的结构

碳纤维增强塑料中碳纤维为分散相，塑料为连续相，碳纤维起着连接作用，塑料起着确定基体结构的作用，图中给出了典型的碳纤维增强塑料的结构，可看出碳纤维分散在塑料基体内，起着桥梁作用，彼此不接触。

02 碳纤维增强塑料的性能

碳纤维增强塑料中塑料是基体相、碳纤维是增强相，作为基体相的塑料将作为增强相的碳纤维连续地固结在一起，可以传递应力；作为增强相的碳纤维则彼此分散，可以承受应力，因此碳纤维增强塑料就获得了碳纤维和塑料的双重特性，通过协同作用，材料的综合性能得到明显提升，主要体现在以下几点。 第一，较高的力学性能。碳纤维增强塑料在降低自重的同时，又提高了力学性能，尤其适于用作各种轻质高强的体育器材原材料。如下图展示了碳纤维增强塑料与传统金属材料相比的力学性能参数，可看出，与传统金属材料相比，碳纤维增强塑料具有质轻高强的性能特点。

第二，减震性好。塑料属于一种高分子聚合物，高聚物具有明显的长链结构，在高聚物发生形变的时候其运动兼具黏性和弹性的特质，因此高聚物具有黏弹性；碳纤维增强塑料材料中，在碳纤维与塑料的界面处存在许多细微的裂纹。当碳纤维增强塑料受到外力作用发生震动时，碳纤维与塑料的界面裂纹处存在摩擦力，当外力去除时，部分的动能由于摩擦效应被转化成热能，即发生了内耗，宏观上即表现为材料具有较好的减震性。

 第三，安全等级高。碳纤维增强塑料是一种复合材料，如表1所示，其强度和抗冲击性能明显优于传统金属材料，在使用过程中发生过载情况时，不会发生明显的脆断；此外，由于碳纤维的存在，部分碳纤维的断裂不会影响其他碳纤维继续发挥其作用，保证复合材料的强度，不易脆断，进一步提高了碳纤维增强塑料的安全性。

第四，结构可自行设计。碳纤维是细长形的一维材料，其排列方向决定了复合材料的受力情况，可通过整体或局部设计碳纤维排列方向的方式提高材料某一方向的耐受力;采用碳纤维编织物可以使材料的各个方向均具有良好的力学性能;此外，改变碳纤维的含量也可以设计材料的性能。

 除了上述列出的几种优异性能之外，碳纤维增强塑料还具有环保性能好、较高的抗疲劳性、良好的尺寸稳定性、较长的使用寿命等特性，用作体育器材的原材料，能够极大地提升体育器材的综合性能。

02 碳纤维增强塑料在体育器材中的应用理论

碳纤维增强塑料制造体育器材的成型方法由碳纤维增强塑料为原材料加工而成的体育器材可根据具体应用实例采用多种方法来进行制备，不同的制备方法对碳纤维增强塑料的综合性能也会产生一定的影响，根据具体体育器材的形状和性能特点，合理地设计制备方法能够显著提高生产效率、简化生产设备、降低生产成本，如下图给出了几种常用的制备方法及其具体应用场合。

其中，缠绕成型是将碳纤维浸润于塑料基体中，并使碳纤维缠绕着成型模具而固化成型的方法，能够根据体育器材的受力方向选择碳纤维的排列方向和缠绕成型方式，是一种简单易操作的成型方法，不足之处是只适用于生产特定形状的体育器材。模压成型是将碳纤维和基体塑料共同放人成型模具内，升温使基体塑料熔融，随后施加一定压力使塑料冷却固化成型的方法，适合大批量生产，产品可重复性强，易于实现自动化生产。RTM是将碳纤维织物在模具中预先成型为一定形状后再将熔融后的基体塑料浇注入成型模具中，冷却固化成型。该方法可对产品形状进行设计，环境污染较低，成型过程简单。拉挤成型是首先对碳纤维或碳纤维织物施加牵引力，浸润熔融基体塑料，随后经过挤压和加热固化过程后得到产品的方法，可通过调节浸润基体塑料的量来调节产品的性能。

03 碳纤维增强塑料在体育器材中的应用现状

应用碳纤维增强塑料制造体育器材已经是当前体，育用品制造和加工行业中的常规技术手段，近年来，我国每年用于体育器材的碳纤维消耗量都在5000t以上，而碳纤维增强塑料的消耗量可达数万t，我国珠三角地区作为轻工业尤其是体育器材制造业的集聚区，消耗了其中80％以上的碳纤维增强塑料。在球类运动中，例如网球拍、羽毛球拍等，以及赛艇和帆船、滑雪板、登山绳索等多种体育器材中，碳纤维增强塑料都有着广泛的应用。国内外许多大型的体育用品加工企业也广泛采用碳纤维增强塑料作为原材料生产体育器材，例如STIGA(瑞典)、挺拔(德国)，以及我国的红双喜、世奥得等知名品牌的乒乓球拍均有采用碳纤维增强塑料制成的实例，其生产的乒乓球拍弹性和稳定性极好，有助于提高运动员的训练成绩。如下图为碳纤维增强塑料在多种体育器材中的具体应用。

04 碳纤维增强塑料应用于体育器材中的具体实例

在竞技体育中，体育器材的质量通常会对运动员的成绩产生较大影响，良好的触感、较好的稳定性和弹性等，能够进一步激发运动员的潜力，提高比赛成绩；而在休闲体育中，质量和性能较好的体育器材也会吸引人们主动参与锻炼，强身健体。当下体育运动行业中，各种各样的生产企业为了提高体育器材的性能，都尝试着从原材料人手，根本上提升体育器材的性能，下面从应用了碳纤维增强塑料的球拍类、杆棒类、板类等不同类别的体育器材进行分开论述。

01 球拍类体育器材

球拍类体育器材主要包括网球拍、羽毛球拍等，从结构上来看，球拍分为拍面和拍柄：拍面用于击打运动中的球，控制球的运动轨迹，需要球拍具有良好的延展性、抗冲击性和减震性；拍柄是手持部分，需要有一定的摩擦力，防止出汗后打滑。运动中的球与拍面发生接触时，会产生一定的震动，降低震动的幅度有助于运动员判断球的运动，选择合适的角度和力度，将球更加稳定地击打出去，碳纤维增强塑料制成的球拍具有良好的减震性，可提高球拍的稳定性，同时较好的减震消耗也使拍柄的震动减小，减少运动员的不适。例如，利用缠绕成型的方法再配合一定的编织工艺加工而成的网球拍，拍面可击球面积是传统木质网球拍的1．5倍以上，球拍的弹性也大幅度提升，还可以大幅度提高网球的初始速度。

02 杆、棒类体育器材

杆、棒类体育器材主要有撑杆、钓鱼竿、高尔夫球棒等，这类体育器材需要原材料具有良好的弹性。对于撑杆，它至少需要承受运动员的体重，并迅速回弹，将运动员弹出至较高的高度，传统的撑杆采用天然木材制成，质量重且弹性差，因此当时的最佳撑杆跳成绩仅有3．3m；利用碳纤维增强塑料采用缠绕成型工艺加工而成的撑杆具有超高弹性，并最大限度地将运动员助跑时的动能转化为弹性形变能、进而转化为重力势能，大幅度提高运动员成绩，目前已经有6．16m的撑杆跳世界纪录，这与撑杆的材质是密不可分的。钓鱼竿需要质轻且有较高的拉伸强度，并且还需要在使用过程中防止导电，用注塑成型工艺加工得到的碳纤维增强塑料钓鱼竿具有质轻、耐用的优势。高尔夫球棒由握把、杆身和杆头三部分组成，采用缠绕成型的方法得到的碳纤维增强塑料高尔夫球棒具有高强高弹高阻尼的特性，可延长击球时间和击球距离。

03 板类体育器材

板类体育器材主要包括乒乓球拍、滑雪板、冲浪板、帆船板等，这些体育器材对减震性的要求较高。对于滑雪板，它需要承受运动员的体重，要具有足够的强度，并且在运动过程中会发生转向和震动等，就需要其具有足够的稳定性和减震性，采用碳纤维增强塑料、芳纶一碳纤维混杂材料制成的具有三维夹心结构的滑雪板，具有稳定性好、耐摩擦好等优势，使运动员在比赛中更加省力。帆船和冲浪属于水上运动，运动员在训练时需要不断提高速度才能获得较好的比赛成绩，要求帆船板和冲浪板具有质轻和耐腐蚀的特质，碳纤维增强塑料密度低、耐腐蚀，采用模压成型工艺可制成性能良好的帆船板和冲浪板。 此外，自行车、登山绳索等体育器材，也在很大程度上使用了碳纤维增强塑料，自行车的刚性和减震性得到显著提升，登山绳索的强度、耐磨性等大幅提高，极大地提高了运动员在进行赛车和攀岩运动时的安全性。对于上述的几种体育器材，在使用过程中都需要运动，因此质轻也是其基本性能要求之一，碳纤维和塑料均属于新型的低密度材料，由两者制成的复合材料自然具有质轻的优势，这也是碳纤维增强塑料能够在体育器材中得以广泛应用的原因之一。 同时，可用于体育器材的碳纤维增强塑料中，塑料的品种选择也有一定的要求，需要根据具体的运动项目进行合理的选择，例如：溜冰鞋轮子，需要高耐磨和高硬度，硬质聚氨酯塑料是最佳的选择；滑梯、高尔夫球杆等，具有原材料耐磨，可选择不饱和聚酯；弓箭要求原材料的韧性和强度高，环氧树脂则是首要选择等.

碳纤维增强塑料以塑料为连续的基体相，碳纤维为非连续的增强相，是一种综合性能优异的复合材料，在轻工业中有着广泛的应用，体育器材加工制造中采用碳纤维增强塑料已经有多年的历史。在制造体育器材中根据体育器材的形状和性能特点，选择合适的成型工艺方法，可以额外提高体育器材的性能；根据不同的体育运动项目，碳纤维增强塑料的应用也各不相同，调节碳纤维和塑料的比例、碳纤维的排列方向等，可自行设计原材料的性能，以满足不同场合的需求；此外，塑料品种的选择对碳纤维增强塑料的性能也有一定影响。实际应用中，根据具体情况选择合适的材料和成型工艺，能够制得更高性能的体育器材，促进体育运动事业的进一步发展。