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碳材料在体育器材中的应用

发布时间:2020-02-25 07:03

随着世界经济技术和科技水平的进步,体育事业也取得了长足的发展,体育器材的越来越人们重视。、和轻质高强的碳材料及其复合材料在体育器材的生产中发挥出了巨大的作用。不仅提高了体育器材的寿命,而且提高了运动员使用的舒适性。
一、碳材料的种类和发展
1、碳材料的种类
碳材料在自然界中的存在形式广泛,与人类的生产生活密切相关,由于其电子轨道的多样性,使得碳材料具有各种各样的物理化学性能,在自然界中碳材料几乎涵盖了所有物质具有的性能。目前,碳材料已经发展成为了一大类品种繁多、用途广泛、性能优异的材料,在化工、机械、冶金、电子、航空和体育器材领域成为了不可缺少的材料。
碳材料的种类可以从多个方面进行界定,主要有原子堆积方式、晶体学和对称性等方面。堆积方式主要包括石墨、碳纤维、玻璃碳和炭黑等,晶体学方向可以分为结晶型和无定形两类,对称性方面可以分为非对称、点对称、轴对称和面对称等。
2、碳材料的发展
碳材料的发展是个漫长的过程,大体可以分为四个阶段:1)代碳材料,该时期主要是利用碳的化学性质,主要的用途是作为燃料和还原剂进行金属冶炼;2)代碳材料,该阶段也可以称为烧结碳材料时期,主要是利用碳材料的物理性能(导电、耐热、、耐摩擦、等),用于碳砖、炼钢、炼铝等,主要领域包括电极、电刷、机械、化工和原子反应堆等领域;3)第三代碳材料,主要以新型碳材料为代表,出现了一系列结构、性能优异的碳材料,是碳材料高速发展时期,同时也是碳材料形成时期;4)第四代碳材料,该时期主要是在第三代基础上进一步发展,出的新型碳材料,包括富勒烯、碳纳米管、碳纳米洋葱、碳包覆纳米金属晶和碳气凝胶等新材料。
二、碳材料用于体育器材的优势
早期传统的材料例如金属材料,木质材料在体育器材领域应用广泛,但是传统材料存在的缺陷已经越来越无法满足现代体育的要求。碳材料由于具有一系列的优势受到了体育爱好者的喜爱,满足了不同体育运动的要求,成为未来体育器材的发展方向。
1、轻质高强
在众多的体育运动中,运动员希望器械能够同时满足质量轻和的两类特点。碳材料特别是碳纤维复合材料,其密度只有1.76~1.80g/cm³,而金属材料的密度是碳材料的几倍,例如钢材密度为7.87g/cm³,铝材密度为2.7g/cm³,这些材料都无法满足一些运动项目的需求。此外,碳材料具有和高模量的特点,其模量和强度是木材的3~4倍,是钢材的3~5倍。因此,碳材料因其具有的轻质高强的特点,使其非常适用于体育器材的使用,一些体育项目例如自行车、帆船、撑杆、高尔夫和球拍等都广泛使用了碳材料。
2、强度大
碳材料相比于金属,其强度较高,数据显示碳材料的强度经过百万次循环应力疲劳试验后,其强度保留率仍可达60%,一些性能优异的碳/碳复合材料可以达到静强度的80%,而钢材为40%,铝材为30%。耐疲劳,使得体育器材的使用寿命更长。
3、热膨胀系数小
热膨胀系数是表征材料受热时线度或体积变化程度的热物理参量,代表了材料的尺寸稳定性能力。碳材料以及其复合材料的热膨胀系数小,在室温条件下,碳材料的热膨胀系数为负值,在200~400℃条件下碳材料的热膨胀系数几乎为零,整体在1000℃条件下能够保持良好的尺寸稳定性。
4、破损性能好
在碳纤维复合材料中,处于基体中的碳纤维,当受到沿着纤维径向拉伸作用时,所有纤维的应变能力相同,部分纤维受损断裂后不会影响其他完整纤维的作用,也就是说除了已经断裂的纤维不发挥作用外,其他纤维仍然正常发挥着各自的作用。这种特性可以在材料发生破坏时,不会导致严重的性能下降的情况,特别是在体育器材的使用中,这种特性可以运动员的人身。
5、设计自由度大
碳材料在体育器材的设计中可以根据需求设计出满足不同体育运动的相应器材。通过控制碳材料在基体内的含量,可以对材料的强度进行设计。这样可以满足不同的年龄阶段的使用者和不同体力的运动员的要求。

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