近期，在東京舉行的第32屆夏季奧運(yùn)會正在如火如荼地進(jìn)行著。其中撐桿跳高作為田徑四大跳躍項目（跳高、跳遠(yuǎn)、三級跳和撐桿跳）之一，正受到越來越多的關(guān)注。同時，作為跳高運(yùn)動員最重要的工具撐桿，也在不斷地發(fā)生變化。從最開始的木質(zhì)竹竿、到玻璃纖維桿、金屬桿，直至現(xiàn)在的碳纖維復(fù)合材料撐桿。那么，究竟是什么原因讓碳纖維開始進(jìn)入體育器材，它有哪些神奇之處。

撐桿跳高遠(yuǎn)動員

一、碳纖維和碳纖維復(fù)合材料

碳纖維（簡稱CF）是一種在惰性環(huán)境氛圍下經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、石墨化等過程所制作而成的材料。其含碳量在92%以上，是由范德華力連接的石墨狀亂層結(jié)構(gòu)的過渡態(tài)碳素材料。碳纖維復(fù)合材料以碳纖維為增強(qiáng)體、樹脂、金屬、陶瓷等為基體復(fù)合，制成的結(jié)構(gòu)材料。而碳纖維較柔軟，可加工性高﹐能夠用來生產(chǎn)各種織物﹐并且具有很高的比強(qiáng)度，這些特點是其他碳素材料所不具有的。同時碳纖維也可以通過與金屬、塑料等材料的復(fù)合加工制成具有不同特性、不同用途的碳纖維復(fù)合材料。

碳纖維

數(shù)據(jù)來源：賽奧碳纖維 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

二、碳纖維的分類

碳纖維種類繁多，性能各異，不同行業(yè)對于碳纖維的性能需求不同。目前，碳纖維可根據(jù)不同維度進(jìn)行分類，可以按照原料、力學(xué)性能、材料的狀態(tài)、纖維數(shù)量、特殊性能等方面進(jìn)行分類。

碳纖維的分類

三、碳纖維的性能

碳纖維被譽(yù)為21世紀(jì)的“新材料之王”，具有優(yōu)越的物理和化學(xué)性能，其同體積重量不到鋼的1/4，但抗拉強(qiáng)度是鋼的7~9倍。由于碳纖維具有出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維。

碳纖維的性能

四、碳纖維的制備

碳纖維的優(yōu)劣與品質(zhì)主要取決于碳纖維的生產(chǎn)工藝與原絲。目前，碳纖維工業(yè)化產(chǎn)品主要為聚丙烯腈基（PAN）碳纖維和瀝青基（Pitch）碳纖維兩大類。

（1）聚丙烯腈基（PAN）碳纖維制備工藝

以聚丙烯腈為原料生產(chǎn)碳纖維，碳化收率較高（大于45%），能夠制備出高性能碳纖維，是目前產(chǎn)量最高，品種最多，發(fā)展速度最快，工藝技術(shù)最成熟的方法。

聚丙烯腈基碳纖維制備工藝

（2）瀝青基碳纖維制備工藝

以瀝青纖維為原料生產(chǎn)碳纖維﹐碳化得率高達(dá)80%~90%。初始原料瀝青主要有石油瀝青和煤焦油瀝青，原料資源豐富、成本最低﹐是正在發(fā)展的前景看好的品種。

瀝青基碳纖維制備工藝

五、為什么受到撐桿跳高器材的青睞

在撐桿跳高的最開始，人們使用木桿。到20世紀(jì)初人們發(fā)現(xiàn)竹竿既韌且輕又有彈性并開始將它代入賽場，但由于木質(zhì)桿易脆。后來，人們又改用了金屬桿、玻璃纖維桿。隨著時代的進(jìn)步。今天競技場上的撐桿經(jīng)過不斷更新?lián)Q代，玻璃纖維和尼龍已經(jīng)被更加輕便、堅韌而富有彈性的碳素纖維和多種復(fù)合材料所取代。

（1）質(zhì)量輕且強(qiáng)度高

就大部分體育運(yùn)動而言，運(yùn)動人員對體育器材都會有輕質(zhì)與高強(qiáng)的期待。而碳纖維復(fù)合材料的密度一般控制在1.8 g/cm³之內(nèi)，相對于金屬與木質(zhì)材料而言，優(yōu)勢十分突出。對于撐桿跳高運(yùn)動，可切實幫助運(yùn)動員減少運(yùn)動時的體能消耗，節(jié)省體力。

 （2）抗疲勞強(qiáng)度較大

不同于鋼鋁材料，碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞強(qiáng)度非常大，其在經(jīng)過百萬次試驗之后，依舊可保留超越65%的抗疲勞強(qiáng)度，少數(shù)特殊碳基復(fù)合材料甚至可保留超過85%的材料強(qiáng)度，遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料。

  （3）破損安全性能良好

碳纖維復(fù)合材料中全部纖維的應(yīng)變能力始終保持均衡，具備同等應(yīng)變能力，纖維徑向受外力作用時，即使部分纖維出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，一般也不會對同向其他纖維正常運(yùn)作造成影響。所以制備而成的撐桿跳高器材即便承受巨大外力作用，不僅不會發(fā)生斷裂、影響其整體性能，還會確保運(yùn)動員的人身安全。

（4）衛(wèi)生性與環(huán)保性較好

碳纖維復(fù)合材料性能較優(yōu)且屬于環(huán)保型材料，因此其衛(wèi)生性、安全性具有一定保障，并且部分碳纖維復(fù)合材料可回收循環(huán)利用，這便在很大程度上降低了體育器材制備成本，并將有利于體育器材的進(jìn)一步發(fā)展與推廣。

總結(jié)：

碳纖維屬于典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，作為“21世紀(jì)的材料之王”，是先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料，不僅受到撐桿跳高的青睞，成為奧運(yùn)撐桿跳高的寵兒。同時，還在其它休閑體育、航天、航空、汽車、電子、機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)的各個領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。碳纖維產(chǎn)業(yè)在發(fā)達(dá)國家支柱產(chǎn)業(yè)升級乃至國民經(jīng)濟(jì)整體素質(zhì)提高方面，發(fā)揮著非常重要的作用，對我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和傳統(tǒng)材料的更新?lián)Q代也有著重要意義，對國防軍工和國民經(jīng)濟(jì)有舉足輕重的影響。

參考來源：

1、碳纖維的表面處理及其橡膠復(fù)合材料的粘合性能研究 王海燕

2、碳纖維技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析 孫敏

3、碳纖維及其應(yīng)用發(fā)展 趙曉明等

4、淺談瀝青基碳纖維的制備與應(yīng)用 楊翠微

5、碳纖維復(fù)合材料在體育器材中的實踐應(yīng)用分析  葉艷

作者：晴天