“特种材料”在体育运动中的应用
1.马拉松破“2”神鞋引争议
10月12日，当基普乔格打破马拉松2小时的“极限”之后，他说，“人类没有极限”。仿佛是呼应他的名言。转天，肯尼亚跑者考斯盖穿着与基普乔格同系列跑鞋，在芝加哥马拉松赛上将尘封了16年之久的女子马拉松世界纪录提高了81秒。有细心的媒体数了数，这次比赛男子全程前10名的跑者都穿着该系列跑鞋。
一战成名的“神鞋”
现在，从大学实验室，到不少运动员，对基普乔格穿着的跑鞋产生了兴趣。就像该跑鞋高调的名称，跑鞋开发者认定这款鞋可以为跑者的成绩提升几个百分点。
比如基普乔格这次破2，穿着的是耐克Next%系列中的未来版跑鞋。这款鞋在中底上增加了ZoomX泡棉的厚度，但重量保持不变；鞋垫下继续放置了碳纤维板。据称NEXT%和上一代4％一样，很难弯折鞋底，这样就可在提升足的稳定性同时，有效促进回弹。
碳纤维板事实上并不是新鲜科技。最早应用碳板材料不易弯折特性的，是篮球鞋。篮球运动不同于跑步运动，要求运动员要不断进行急停、急加速、急转、变向等运动，这就容易导致足的过度扭转，为了减少扭转，碳板技术得以应用。
如今这款鞋运用了碳板在纵向不易弯折的特性。当弯曲硬度变大，相对而言似乎能够提供更多的回弹。有效的提升了成绩。
这引发了我们的思考“那么碳纤维板在体育运动中还有哪些神奇的应用呢？究竟是碳纤维版的什么特点使其能发挥如此大的作用呢？”
接下来让我们进入正题！！！
让我们一起从五个方面全面的了解一下这种“特种材料”！
什么是碳纤维
碳纤维的优势
碳纤维材料在体育器材上的应用实例
碳纤维在当代体育器材方面的发展前景
小结
1.什么是碳纤维
碳纤维及其复合材料是体育器材开发最好的选材之一。碳纤维这种高新技术材料运用于比赛器械，极大地推动了体育运动成绩的提高。碳纤维及其复合材料已成为发展现代体育器材必不可少的新材料之一。
碳纤维是含碳量很高的无机高分子纤维材料，它“外柔内刚”，质量比金属铝轻，而强度却高于钢铁。它有四种产品形式:纤维，布料，预浸料坯和切短纤维。布料指的是由碳纤维制成的织品;预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸渍使其转化成片状;切短纤维指的是短丝。按照不同的配比，这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维增强复合材料(CFRP)。当前，用来制造体育运动器材的新材料主要是复合材料，而碳纤维复合材料又是其中的佼佼者。从某种意义来说，现代竞技运动是一项向人类体能极限挑战的运动，任何项目世界纪录微小的提高往往需要和依赖科技的推动。利用新材料提升比赛器材的性能，从而提高运动成绩的案例屡见不鲜。
2.碳纤维的优势
2.1质量轻
像撑竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，人们希望其质量越轻越好;即使是靠人力以外的其他动力来使其运动的器材，如赛车、帆船、摩托艇等，在相同的条件下也以质轻为好。碳纤维复合材料在此方面具有不可比拟的优势，其密度为1．76～1．80g/cm3，所制复合材料密度为1．50～1．60g/cm3，而钢材约为7．87g/cm3、铝材2．7g/cm3、钛材4．5g/cm3。显然，CFRP要比金属材料轻得多。
2.2高比强度和高比模量
碳纤维复合材料的比强度(单位质量的强度)和比模量(单位质量的模量)分别是杉木的4倍和3倍、梧桐木的3．4倍和4．4倍、钢材的7～12倍和3～5倍。突出的比强度、比模量，使其可用来制造轻而强和刚而坚的各种制品，特别适合于制作体育器材。
2.3疲劳强度大
碳纤维结构稳定，在其制成复合材料经过百万次循环应力疲劳试验后，其强度保留率仍可达60%，而钢材为40%，铝材为30%。耐疲劳强度高，使得体育器材的使用寿命更长。
2.4热膨胀系数小
碳纤维的热膨胀系数在室温时几乎为负值，当温度为～℃时，其热膨胀系数为零;当温度低于℃时，其线膨胀系数为1．5×10－6K－1。2.5破损安全性能好
在碳纤维复合材料中，由于基体的作用，在沿—35—年第8期产业用纺织品应用纤维方向受拉时，各纤维的应变基本相同。已断裂的纤维由于基体传递应力的结果，除断口处不发挥作用外，其余绝大部分纤维依旧发挥作用。个别纤维的断裂不会引起连锁反应和灾难性的急剧破坏，因而破损安全性能很好。
2.6阻尼性能好
碳纤维复合材料的聚合物基体具有黏弹性，在基体中和界面上有微裂纹和脱黏的地方还存在着摩擦力，在振动过程中，黏弹性和摩擦力使一部分动能转换为热能。因此，其阻尼比钢和铝合金大，若采用特定措施还可以使阻尼增大。
2.7设计自由度大
复合材料成型技术的发展使得设计自由度大大提高。纤维复合材料的一个显著特点是各向异性，通过改变纤维的铺叠方向和方式，局部增强或增强某一方向的受力状况;可根据选手的年龄、性别、技艺水平、体力强弱等不同情况加以设计，最大限度地发挥体育器材的使用效果，这是一般各向同性的金属材料难以实现的。
因为碳纤维的以上优点，所以在体育发展中进步中，越来越多的应用碳纤维这种材料来帮助人们取得更好的成绩。
那么具体哪些领域使用到了这种材料呢？
3.碳纤维材料在体育器材上的应用实例
3.1撑竿
撑竿跳高在第一届奥运会中就被正式吸收为比赛项目，当时的撑竿由山胡桃木制成，结实沉重，缺乏弹性、储能本领差的特性让选手的动能大多被浪费，所以跳出的最好成绩只有3.3m。后来竹竿取代木质撑竿，其中空质轻有利于助跑，弹性有利于能量的转化。20世纪60年代，运动员开始使用尼龙撑竿，不久尼龙撑竿又被玻璃纤维竿所代替。撑竿材料的不断改革，使世界纪录被屡屡新刷。如今撑竿发展到了第四代，玻璃纤维和尼龙已经被性能更优越的碳纤维复合材料取代，而且可根据撑竿受力的差异来设计不同部位的材质，使整体性能最优。最新的碳纤维撑竿可以保证撑竿既柔韧结实又不会断裂或扭结，它可将运动员持竿快速助跑的动能部分转变成撑竿的弹性变形能，当撑竿被压弯到最大弧度后，这部分弹性变形能再释放出来，转变成运动员的势能，帮助运动员腾空跃起，飞越横杆。
3。2高尔夫球杆
20世纪30年代的钢杆是美国标准高尔夫球杆，年美国首先采用碳纤维复合材料制成球杆，到年碳纤维高尔夫球杆数量大幅度超过钢杆。高尔夫球杆由握把、杆身、杆头组成，用碳纤维复合材料制成的高尔夫球杆可减轻重量约10%～40%。根据动量守恒定理，当高尔夫球杆的总重量一定时，头重杆轻便于提高挥杆速度，可使球获得较大的初速度。此外，碳纤维复合材料具有高阻尼特性，可使击球时间延长，球被击得更远。
3。3网球拍
网球拍的发展趋势是大型化、轻量化。目前世界上高、中档网球拍大多采用碳纤维复合材料制成。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，它可以承受比木质拍框更强的网线拉力，以保证击球时不变形。减振阻尼性好的碳纤维复合材料，在赋予运动员舒适感的同时也使网球获得了较大的初速度。
3，4弓箭
在射箭项目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成绩的重要途径，而改善其用具性能的主要方法就是提高弓和箭的比弹性。当今世界最好的弓是碳纤维复合材料系列产品，由碳纤维复合材料制作的弓臂(弓片)可承受50kg/mm2的弯曲应力，赋予箭最大的初速度和最远的射程。开弓射箭，一张一弛，碳纤维复合材料的耐疲劳特性是玻璃钢和金属材料所无法比拟的，因而所制弓臂的使用寿命更长。
3.5自行车
随着现代社会的快速发展，自行车不仅是交通和运输工具，还具有健身、旅游、竞赛等多种功能。高档自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴及座位支架等均使用碳纤维复合材料制成，不仅使自行车外观更具美感，同时也赋予了车体良好的刚性和减震性能。车体重量进一步下降，骑乘舒适性更好。因此一经研制成功，便被用作专门的比赛用车。此外，碳纤维复合材料在体育用品方面，还可以制造动力雪撬用的弹簧板、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机、垒球和棒球球棒等。
介绍了这么多基础知识，接下来咱们来点高科技的吧！！敲黑板！！划重点啦！！
4.碳纤维在当代体育器材方面的发展前景
纵观我国体育发展现状，我们可以发现整体的体育项目逐渐由专业的官方模式变为民间活动，人民的参与度不断提升，整体的结构逐渐趋于多元与完整，新的发展机遇由此产生。就其基础材料而言，绿色环保逐渐成为器材原材料的选择的重要的依据，智能化发展水平同步提升与优化。而碳纤维材料无疑是符合这一标准的“特种材料”。
4.1智能化
随着科学技术水平不断提升，智能化发展已经成为体育器材的重要发展趋势，并且获得了显著的提升与优化。在科技不断进步的今天，碳纤维材料智能化程度明显，其中，先进的纤维服装能够在用户使用过程中将动能转换为电能，并且进行有效的存储，并能够直接应用于充电与照明，极大程度的提升了用户满意度，为体育爱好者带来了极大的便利。除此之外，通过将碳纤维与玻璃纤维相结合，能够提升运动场馆的智能性，可以根据实际气温情况来进行有效的温度调节，以达到优质的采光效果。在碳纤维训练服中，通过引入微型系统，能够做到精准测量与实时反馈，能够保证运动员在运动过程中真实掌握自身的身体特征，并及时、有效的做出调整，真正实现了科学化训练。
未来，碳纤维应用程度将会不断提升，智能化水平呈现良好的发展态势。
而其中石墨烯技术的发展无疑大大推进了碳纤维材料的智能化发展
4.1.1石墨烯技术的发展
以往研究人员认为石墨烯结构只能是理论模型，因其表面的张力过大而无法单独稳定存在，直至4年被物理学家证实其能单独存在。石墨烯是当前世界上已知的最强、最薄、柔韧性强、导电性好、导热性好的纳米材料，其强度高于钢强度的倍，甚至比一个碳原子的厚度还要薄。添加一定量的石墨烯，能显著提升石墨烯高分子纳米复合材料的耐热性、尺寸稳定性、力学性能、韧性。例如：相较于齿轮用WC-Co复合材料，石墨烯复合镁基材料通过添加10vol%石墨烯，其热疲劳寿命能增加%；相较于商用AZ31镁合金材料，石墨烯复合镁基材料在20℃的情况下能减少89%的磨损体积。石墨烯高分子纳米复合材料凭借自身的优点，在体育器材领域有着广泛的应用。
年8月19日爱尔兰科学基金会网站报道，爱尔兰科学家发明了一种将石墨烯与橡胶结合的技术，使橡胶导电，从而为可穿戴设备制造橡胶传感器。如果用石墨烯橡胶制成的橡皮筋嵌入衣服中，可以探测到呼吸、脉搏、血压等细微的活动。运动员穿着带有此种石墨烯橡胶传感器的运动服进行训练和比赛，便可以实时监控运动员的生理指标，做到更精确的定量、更精确的分析，提高训练和比赛的水平。石墨烯纤维修饰电极对尿酸的电化学测量表明，石墨烯纤维的存在大大提高了修饰电极的电化学性能，尿酸的氧化峰电流明显提高。修饰电极在多种干扰物质的存在下表现出较高的选择性。在接下来的实验中，修饰电极具有较高的稳定性和重现性。当尿酸、多巴胺和抗坏血酸同时检测时，修饰电极对多巴胺、抗坏血酸、尿酸的检测具有较高的选择性。由于石墨烯具有独特的结构和优异的性能（如比表面积大、导电性好、生物相容性好、电催化性能好等），基于石墨烯-碳纳米管复合材料的酶传感器在酶传感器研究中具有灵敏度高、选择性好、稳定性好等优点。这些现有成果都为石墨烯纤维在生物检测中的应用提供了基础，石墨烯纤维可以作为高灵敏传感器监控运动员的生理生化指标。本人认为，这一应用点的发展潜力和应用价值都是极大的。运用生理生化指标对运动员运动负荷能力、实际身体机能、科学有效训练进行评测，可以及时了解运动员的身体机能，合理安排和调整训练计划，避免疲劳，减少运动损伤，最大限度地提高运动成绩。高灵敏度检测方法能更细致地监测运动员生理生化变化，从而达到早期预防，充分发挥运动员生理生化指标的目的。
4.1.2石墨烯技术的应用
自行车登山是近几年在国内外迅速流行和发展的一种休闲体育项目。参与者骑行自行车穿梭于各种复杂的山路和丛林地形中，这就要求登山自行车能够耐冲击、耐振动，而传统的以固定的耐冲击设定值制成的登山自行车难以应付这种剧烈变化的冲击力。传统的避震器采用手动调整预压和回弹的弹性设定值，这种避震器的缺点是设定太硬，振动无法制衡；设定太软，则会浪费制振能量，而且遇到高冲击会造成多次回弹冲击。无论何种设定，都不能满足登山自行车的稳定性要求。若在登山自行车中加入石墨烯纤维材料，制作出能够自动连续地调整预压和回弹值的智能避震器就可以解决传统避震器的缺点。智能避震器由石墨烯纤维材料压敏传感器、压电动作器、磁铁、电子控制器构成预压及回弹控制系统几个部件构成，由石墨烯纤维压敏传感器来读取附带的磁铁活塞杆位置、速度及所受压力，然后将讯号送给控制器，控制器再于千分之几秒内发布命令给压电动作器，然后动作器依据命令讯号调整油压压量，从而调整阻尼。应用这一控制原理，可使自行车在各种车速和地形下更加平稳，从而提高高速下的可控制性和舒适性。
毫不夸张的说，体育运动器材离不开橡胶和纤维。随着近年来石墨烯技术应用领域的不断扩大，石墨烯橡胶和石墨烯纤维在体育运动器材中的应用具有极大前景。尤其是石墨烯纤维，石墨烯纤维和碳纤维同样都是以碳元素为主，二者物理性质和化学性质都十分相似，有很大的可比性。石墨烯纤维中的石墨烯碳纤维复合材料更是应用石墨烯直接改良现有碳纤维，因此可以预见现有已应用碳纤维的体育运动器材都可以应用石墨烯纤维。石墨烯纤维复合材料的完全实用化是必然趋势，但成为现实还需要一定时间。这就需要我们年轻一代投身其中，来实现石墨烯纤维复合材料及碳纤维复合材料的完全实用化！
那么这种材料还有什么优点呢？！！！
4.2绿色环保化
在当前的消费模式下，人们愈发注重绿色与环保，并将其作为国家体育事业可持续发展的基础。在体育事业发展过程中，各类原材料使用率较高，损耗严重。而碳纤维材料具有良好的回收利用价值，与实际运动发展需求相吻合，具有极强的现实意义。因此，只有积极做好碳纤维材料的开发与利用工作，才能更好地提升我国体育事业发展水平，形成环保、绿色的发展模式。
5结语
现代科技的飞速发展对体育产生了前所未有的影响，当今世界的体育竞争实质上是科学技术的竞争，而先进、新颖的材料则是提高体育科学技术水平的重要条件之一。希望在未来能有越来越多的新型材料投入体育运动中，帮助人们不断超越自我，谱写新的华章！
参考资料
碳纤维复合材料在体育器材上的应用-中国知网
用碳纤维复合材料制造的高强度、高弹性新型体育跳板-中国知网
体育器材中碳纤维增强塑料的应用研究-中国知网
体育器械用碳纤维复合新材料的制备与性能研究-中国知网
马拉松破“2”神鞋引争议，国际田联正式启动调查-上观
碳纤维在当代体育器材方面的发展前景-中国知网
基于高新材料在体育器材中的应用-中国知网
石墨烯技术在体育器材应用中的探索-中国知网
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