【复材视界】复合材料让体育运动员在夏季奥运会上更加具有竞争优势
奥林匹克格言——Citius、Altius、Fortius——在拉丁语中的含义为“更高”、“更强”、“更快”,这几个词语在历史上一直适用于夏季奥运会和残奥会运动员的表现。
随着越来越多的运动器材制造商使用复合材料,使得这句格言如今适用于运动鞋、自行车,以及当今竞赛场上的各种各样的产品。因为复合材料可以增加力量和减轻设备的重量,从而有助于运动员在比赛中利用更短的时间、获得更加优异的成绩。
在皮划艇上通过使用通常用于防弹领域的芳纶纤维凯夫拉(Kevlar),可以保证结构良好的船只能够抵抗开裂和破碎。而当石墨烯和碳纤维材料用于独木舟和船壳时,不但可以增加船体运行强度、减轻重量,而且还能增加滑行距离。
与传统材料相比,碳纳米管(CNTs)具有更高的强度和比刚度,因此被广泛应用于体育器材中。威尔逊体育用品公司(Wilson Sporting Goods)用纳米材料制造了网球,这种材料可以在球被击中时遏制空气损失,从而帮助球保持其形状,并使它们保持更长的反弹时间。纤维增强聚合物也常用于网球拍,增加灵活性,提高耐用性和性能。
碳纳米管用于制造高尔夫球时,具有优化提升的强度、耐久性和耐磨性等优点。碳纳米管和碳纤维也用于高尔夫球杆,以减轻球杆的重量和扭矩,同时增加稳定性和控制力。
高尔夫球杆制造商比以往任何时候都更多地采用碳纤维混合物,因为与传统材料相比,复合材料能够在强度、重量和较小的抓地力之间实现平衡
如今在赛道上的自行车往往重量已经很轻,采用全碳纤维框架架构,并配备由单片碳纤维制成盘式车轮,显著减轻了自行车的重量并减少了车轮的磨损。一些赛车手甚至穿上碳纤维鞋来保护自己的脚而不增加体重。
此外,碳纤维甚至已经进入游泳池,比如泳装公司Arena在其高科技赛车服中使用碳纤维,以增加灵活性、压缩性和耐用性。
坚固、防滑的起跑台对于推动奥运游泳运动员达到创纪录的速度至关重要
复合材料反曲弓的历史可以追溯到数千年前,当时木头上铺有角和筋以抵抗压缩和拉伸。现在的弓由弓弦和装有瞄准配件和稳定杆的手柄组成,这些稳定杆可在释放箭头时抑制振动。
弓必须坚固而稳定,才能让箭在接近 150 英里/小时的速度下松开。复合材料可以提供这种刚度。例如,盐湖城的 Hoyt Archery 在合成泡沫芯周围使用三轴 3-D 碳纤维来提高速度和稳定性。减少振动也很关键,韩国制造商 Win&Win Archery将分子结合的碳纳米管树脂注入其弓肢,以减少由振动引起的“手震”。
弓不是这项运动中唯一的高度工程化的复合材料部件。箭头也经过微调以达到目标。X10 箭头由盐湖城的 Easton 专门为奥运会比赛生产,将高强度碳纤维粘合到合金芯上。
自行车
奥运会有几个自行车项目,每个项目的装备都大不相同。但是,无论参赛者骑的是带实心盘轮的无刹车履带自行车,还是更熟悉的公路自行车,还是高度耐用的 BMX 和山地自行车,这些设备都有一个特点——CFRP 车架。
加利福尼亚州欧文的 Felt Racing LLC 等制造商指出,碳纤维是当今任何高性能自行车的首选材料,对于其大部分产品,Felt 使用高模量和超高模量单向纤维材料的不同混合物以及自己的纳米树脂基体。
对于撑竿跳高,运动员依靠两个因素将他们尽可能高地推过单杠——稳固的助跑和灵活的撑杆。撑杆跳运动员使用 GFRP 或 CFRP 撑杆。
根据德克萨斯州沃思堡制造商 UST Essx 说法,碳纤维可以有效增加刚度,通过在其管状设计中使用 100 多种不同类型的纤维,它可以精确地微调其杆的属性,以实现令人难以置信的轻盈与小手柄的平衡。内华达州卡森城的电线杆制造商 UCS 则依靠树脂系统来提高其预浸料环氧树脂单向玻璃纤维杆的耐用性。