近年来“全民健身”理念高涨，体育竞技行业得到快速发展，据统计，我国体育行业的产值高达3 000亿元，对我国的国民经济发展发挥重要的推动作用。而体育器材对体育竞技起辅助支撑作用，体育器材若缺乏安全性可能对运动员造成运动伤害，因此体育器材的质量和性能是体育竞技行业发展的重要影响因素[1-2]。传统的体育器材常用钢铁、木质、塑料、泡沫等材料制成。塑料材料因具有良好的力学性能、耐腐蚀性和质轻等优势，在体育器材中占比逐渐提升[3-4]。但塑料材料强度较低，在光照下易发生老化、变形，耐用性较差，限制其在体育器材的使用。采用纤维材料对塑料材料进行改性，成为提升塑料材料性能的一种常见的改性方法[5]。本研究以纤维增强塑料在体育器材中的应用为研究视角，分别论述碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、高强高模合成纤维增强塑料等几种常见的纤维增强塑料，并对各类纤维增强塑料的特点进行总结。对纤维增强塑料在体育器材中的应用现状进行综述，为我国体育行业新材料运用提供理论参考。1纤维增强塑料概述1.1纤维增强塑料的定义纤维增强塑料是一种复合塑料材料，这种复合材料是以塑料为基底材料，纤维为改性材料，通过缠绕成型、模压成型、挤压成型等加工方式形成两相复合材料，既保留纤维材料和塑料材料的原始结构，又进一步提升单一材料的性能，达到改善塑料材料缺陷的作用[6]。研究表明：由于纤维增强塑料能够满足体育器材的性能需求，成为体育器材的主要材料之一[7-8]。1.2纤维增强塑料的分类纤维增强塑料按照改性纤维的种类可以分为无机纤维增强塑料和合成纤维增强塑料。常见的无机纤维增强塑料包括碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强塑料和碳化硅纤维增强塑料等4种。常见的合成纤维增强塑料包括芳香族聚酰胺纤维增强塑料、混杂纤维增强塑料和超高模量聚乙烯纤维增强塑料等[9]。表1为各类纤维增强塑料的优缺点。从表1可以看出，各类纤维增强塑料能够改进塑料材料的性能缺陷，但由于纤维增强塑料的性能存在差异，不同的纤维增强塑料在体育器材的应用也略有不同。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.023.T001表1各类纤维增强塑料的优缺点Tab.1Advantages and disadvantages of various types of fiber reinforced plastics纤维增强塑料分类相关概念优点缺点碳纤维增强塑料最常见的纤维增强塑料，碳纤维在塑料中主要发挥连接塑料基底的作用，在塑料中起桥梁作用［10］提升塑料的应力承受能力，具有较高的比模量和比强度吸湿性较差玻璃纤维增强塑料应用最早的纤维增强塑料良好的耐拉伸性能和易弯曲度［11］脆性增加，流动性增强芳香族聚酰胺纤维增强塑料可以分为全芳族聚酰胺纤维和杂环芳族聚酰胺纤维增强塑料良好的黏结性，且质轻、密度低，可加工成长丝型［12］抗冲击性能较差混杂纤维增强塑料将几种纤维混合，再与塑料进行复合具有几种纤维的性能制作工艺相对复杂超高模量聚乙烯纤维增强塑料由分子量在（100~500）×104的聚乙烯纤维改性而成密度低、稳定性强，且具有良好的刚性和强度黏附性能较差［13］2纤维增强塑料在体育器材中的应用2.1碳纤维增强塑料在体育器材中的应用碳纤维增强塑料是目前在体育器材中应用最多的纤维增强塑料，由于具有质轻、加工性能优越及良好的力学性能，在体育器材中具有良好的应用潜力。目前，碳纤维增强塑料应用于赛艇帆布、帆船骨架及水上摩托外壳、网球拍、保龄球、自行车架等方面[14-15]。张国胜[16]利用缠绕成型固化方式制成碳纤维增强塑料网球拍，并对碳纤维增强塑料进行微观结构分析和力学性能测试。结果得出：碳纤维增强塑料密度为1.45 g/cm3，拉伸强度为1.5 GPa，拉伸模量为140 GPa，比模量为0.97×109 cm，密度远小于铝合金和钛合金材料，但力学性能远高于铝合金和钛合金，碳纤维增强塑料制成的网球拍击球弹性高达木质球拍的1.5倍，良好的力学性能能够满足网球拍的安全性能和材质轻便的要求。盛夏[17]以缠绕成型方法制成碳纤维增强塑料撑杆，并和传统的木质撑杆进行对比实验。结果表明：相同的运动员使用碳纤维增强塑料撑杆撑杆跳成绩可以达到4.43 m，而使用木质撑杆最高达到3.3 m，说明碳纤维增强塑料弹性优异，能够将运动员的动能高效转化为重力势能，有利于提升运动员成绩。和振东等[18]研究由碳纤维增强塑料制成的赛艇桨杆力学性能及耐腐蚀性。结果表明：选取长度为0.25 m，宽度为0.02 m的碳纤维增强塑料为测试样品，其拉伸强度最大为281.56 MPa，远高于聚酯塑料(98.54 MPa)。利用盐碱混合溶液浸泡实验测试碳纤维增强塑料的耐腐蚀性，3周后碳纤维增强塑料材料表面出现气泡，说明耐腐蚀性较好，能够满足赛艇桨杆的性能要求。周博[19]对碳纤维增强塑料在体育器材中的应用价值进行分析，认为碳纤维增强塑料具有材质轻便的优势，运用于自行车、滑雪板、皮划艇、撑杆等体育器材能减少运动员的体力消耗，提升运动员的体育成绩。此外，碳纤维增强塑料加工性能好，适用于压制成型、缠绕成型、拉拔成型等多种加工方式，能够满足多种形态的体育器材的生产。黄珂[20]对碳纤维增强塑料在高尔夫球杆的应用情况进行研究，并对碳纤维增强塑料性能进行测定。结果表明：碳纤维增强塑料高尔夫球杆质量仅为金属高尔夫球杆质量的30%~50%，碳纤维增强塑料弹性模量为470 GPa。碳纤维增强塑料的粘附性相对较差，需要进行表面性能改性，才能够更好运用于高尔夫球杆。2.2玻璃纤维增强塑料在体育器材中的应用玻璃纤维增强塑料按照玻璃纤维的性能，可以分为普通玻璃纤维、高强度玻璃纤维、两种以上玻璃纤维的复合物。采用玻璃纤维对塑料进行改性，能够提升塑料的拉伸、强度和弯曲性能。目前，玻璃纤维增强塑料在滑雪板、自行车、网球拍、高尔夫球杆等体育器材中应用较广泛[21-22]。马德厚[23]以采用复合玻璃纤维增强塑料制成的船桨为研究对象，对复合玻璃纤维增强塑料制成工艺和性能进行研究。结果表明：采用高强度玻璃纤维和普通玻璃纤维混杂制成平纹织物后与塑料进行复合，制成的船桨抗冲击性能提升，且质量更轻，且能够提升赛艇航速约20%。李娟[24]对玻璃纤维增强塑料在冲浪板的应用情况进行研究，分别测定玻璃纤维增强塑料冲浪板和普通塑料冲浪板的力学性能、耐腐蚀性。结果表明：玻璃纤维增强塑料的冲浪板拉伸强度高达280.53 MPa，断裂伸长率为2.95%，冲击强度为41.05 kJ/m2，拉伸强度高于普通塑料冲浪板24.6%。在耐腐蚀性上，盐碱溶液4周浸泡实验后，玻璃纤维增强塑料质量减少0.02 g，而普通塑料质量减少0.07 g，说明玻璃纤维增强塑料耐腐蚀性更强。杜希岩等[25]对玻璃纤维增强塑料在滑雪板的应用情况进行研究，指出采用玻璃纤维增强塑料制成的滑雪板性能优异，能够增强滑雪板的韧性和强度，并通过实验测定玻璃纤维增强塑料的性能。结果表明：玻璃纤维增强塑料具有良好的耐热性、吸湿性和耐化学性，且玻璃纤维的直径越低，力学强度越大，最细的玻璃纤维直径控制在30 µm内，强度高达607.6 MPa。李豫[26]对复合玻璃纤维增强塑料在曲棍球的运用现状进行研究，指出复合玻璃纤维增强塑料具有较好的吸收振动性能，在曲棍球比赛中，能够减小振动，帮助运动员更好地掌握小球，提升运动成绩。测定复合玻璃纤维增强塑料的力学性能，结果表明：复合玻璃纤维增强塑料强度是普通合金曲棍球强度的3倍，但质量只有普通合金曲棍球质量的1/3。张馨娇等[27]对玻璃纤维增强塑料在自行车的应用进行研究，对玻璃纤维增强塑料的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量进行测定，并充分论证玻璃纤维增强塑料自行车的优势。结果得出：玻璃纤维增强塑料具有良好的拉伸强度，但断裂伸长率略有不足，运用于体育器材中，能提升使用寿命，减轻自行车质量。2.3高强高模合成纤维增强塑料在体育器材中的应用高强高模合成纤维增强塑料又包括芳香族聚酰胺纤维增强塑料和超高模量聚乙烯纤维增强塑料，目前芳香族聚酰胺纤维增强塑料在网球拍、自行车、滑雪板等体育器材应用较多，而超高模量聚乙烯纤维增强塑料在球类、水上和冰上运动的体育器材应用较广泛[28-31]。顾龙鑫等[32]对芳香族聚酰胺纤维增强塑料性能及其在赛艇中的应用进行研究。结果表明：芳香族聚酰胺纤维增强塑料密度小，仅有1.44~1.45 g/cm3，小于铝合金、碳纤维增强塑料的密度，且拉伸强度最大可达1 380 MPa。利用芳香族聚酰胺纤维增强塑料制成赛艇，可以显著提升赛艇的韧性、刚度、强度和耐腐蚀能力，能够满足国际竞赛的赛艇要求。齐佳[33]对芳香族聚酰胺纤维增强塑料应用于体育器材的优势进行分析，指出将芳香族聚酰胺纤维增强塑料运用于网球拍中，可以提升延展性、抗冲击性，并且具有良好的减震吸能性能，而将芳香族聚酰胺纤维增强塑料制成自行车后，不仅能够满足美观要求，也能够提升自行车的舒适性、安全性和耐用性。任意[34]对超高模量聚乙烯纤维增强塑料制造工艺及在体育器材中的应用现状进行研究。超高模量聚乙烯分子量超过300×104以上，由于流动性差、黏度高，采用冻胶纺丝法技术才能够实现超高模量聚乙烯纤维增强塑料制造的工业化。将其制成赛艇，能满足高湿度、高腐蚀性的环境要求，且密度和强度均高于碳纤维增强塑料和芳香族聚酰胺纤维增强塑料。黄晓华[35]对超高模量聚乙烯纤维增强塑料在足球中的应用进行研究，指出超高模量聚乙烯纤维增强塑料制成的足球柔软性好、减震性能强，能够更好地保护足球运动员。使用二步法硅烷交联工艺制成的超高模量聚乙烯纤维增强塑料成本更低廉，更适用于大批量的体育器材的生产加工。李娜[36]对超高模量聚乙烯纤维增强塑料在羽毛球拍网线的应用现状进行比较分析，指出超高模量聚乙烯纤维增强塑料制成的网线比传统的聚乙烯网线有更强的反弹性能，能够满足运动员控球、扣杀、放网过程的冲击性能，进而提升运动员的击打感和控球感，有利于提升运动员成绩。此外，超高模量聚乙烯纤维增强塑料的耐久性和耐热性能也较强，能够延长羽毛球拍网线的使用寿命。2.4其他纤维增强塑料在体育器材中的应用除了上述的几种纤维增强塑料外，混杂纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、硼纤维增强塑料等材料也应用于体育器材。混杂纤维增强塑料在篮球、钓鱼竿、高尔夫球具、弓弦中应用较多；碳化硅纤维增强塑料应用于滑雪板、撑杆；硼纤维增强塑料应用于高尔夫球棒、网球拍及羽毛球拍、钓鱼竿等体育器材[37-39]。张芸芸[40]对碳化硅纤维增强塑料的力学性能及结构进行研究，并综述碳化硅纤维增强塑料在体育器材的应用现状。指出碳化硅纤维增强塑料具有极强的耐高温性能，最高的温度为1 250 ℃，且具有高模量、高拉伸强度、良好相容性、抗压耐磨、耐热耐用等优势，在撑杆、滑雪板等体育器材应用广泛。李承宇等[41]对硼纤维增强塑料材料性能与其他纤维增强塑料性能进行比较分析，并对硼纤维增强塑料在体育器材的应用情况进行研究。结果表明：硼纤维增强塑料拉伸强度可以达到3 600 MPa，拉伸弹性模量达到400 GPa，密度仅有2.57 g/cm3，硬度高于碳化硅纤维增强塑料近一倍。运用于高尔夫球杆中的硼纤维增强塑料材料能提升球杆的击球感，延长高尔夫球的飞行距离，更易控制高尔夫球的方向。潘利利[42]对碳化硅纤维增强塑料在体育器材应用现状进行综述，指出目前碳化硅纤维增强塑料在击剑台、拳击台、体操训练比赛台皮划艇、划桨、冲浪板等方面都有应用，但目前关于碳化硅纤维增强塑料的生产加工工艺研究相对不够成熟，导致在体育器材应用工业化过程中制成成本较高，限制其进一步使用。3结论纤维增强塑料应具有良好的力学性能、加工性能和低密度等优势，能够满足体育器材日益提升的高安全性能、耐用性等要求，目前正取代其他材料成为主要的体育器材材料之一。但目前关于纤维增强塑料材料的研发不充分，纤维增强塑料材料的种类、性能及加工工艺的研究较少，没有充分挖掘纤维增强塑料在体育器材中应用的潜能。未来应当进一步加强塑料改性中纤维材料多样性的探索，完善纤维增强塑料的工艺流程，优化纤维增强塑料的性能，才能够为体育行业带来新的发展动力。