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行业分析

复合材料在滑雪运动中的应用
来源:中国复材展组委会  2018-01-08 14:13:57
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-6029.html

  2018年韩国平昌冬奥会开幕在即,世界各国的运动健将们将在诸多冰雪项目中冲破自我、挑战极限。对于一个竞技项目而言,运动员的身体素质和后天训练固然重要,选择合适的运动器材也是通向成功的重要因素之一。以滑雪板为例,其制备材料经历了多次更迭,直至上世纪下半叶,玻纤复合材料首次被用于生产滑雪板。自此之后,便成为运动器材商的宠儿。

K2 Sports公司工程和研发副总裁Dodd Grande表示说,复合材料在滑雪运动上的应用和发展源自滑雪爱好者的不同运动需求。高山滑雪(Alpine Ski)的爱好者主要以重力作为驱动,而极限荒野滑雪(Backcountry Ski)的爱好者则依赖自身作为前进的动力,二者的区别决定了他们对滑雪板材质有着不同的要求。


 

  高山滑雪(Apline Ski)

Grande表示说,适用于高山滑雪的滑雪板种类很多,但以铝材和复合材料二者的混用为主流,并且多以环氧胶黏剂作为粘结材料,因为这是经过实践检验的最佳方案。 

很多高山滑雪板的板心使用木材或聚氨酯来生产,边缘使用钢材,基座大都采用超高分子量(UHMW)聚乙烯。烧结之后,经过连续模压工艺(CCM)或人工切割打磨而成。

美国犹他州盐湖城DPS Skis公司是目前是行业领先地位的滑雪板生产者,该公司采用的是纯-碳纤维预浸料生产工艺。DPS Skis官网宣称,尽管业内很多其他公司也表示使用这种工艺,但在实际生产过程中却混用了玻璃纤维。

DPS市场经理Alex Hunt表示说,使用碳纤维不仅有减重的效果,还可以帮助制造商更精准地控制滑雪板的抗扭刚度,给予运动员更好地操控体验。相较于玻纤复合材料滑雪板而言,碳纤维的抗疲劳性更胜一筹。另外,使用“预浸料”这种标准半成品能最大程度减少人工配比时的误差,保证滑雪板各个位置上性能的一致性。

  当然,上述比较并非表明玻纤复合材料滑雪板一无是处。“事实上,除了稍稍重了一些之外,它也具备很多碳纤维复合材料滑雪板的优点。”Wagner Custom Ski公司创始人Pete Wagner表示说。

“事实上,对于一支滑雪板来说,质量越大越容易发力,滑行时更加连贯和顺畅。”Wagner解释道,“同时,质量较大的滑雪板也更容易穿越一些起伏的、状况较为复杂的雪面,同时还意味着抗震性更好,体验更佳。”

在设计一款滑雪板的时候,Wagner Custom Skis公司准备了大约100种备选材料。所有Wagner生产的滑雪板都是以超高模量聚乙烯作为基座、以木材作为核心,通过玻纤复合材料、碳纤维复合材料或者二者的混合材料进行结构的加强。Wagner公司采用的是湿法铺层工艺,树脂在气动压机中进行加热、固化、成型。

“我们采用是电脑控制下的自动化批量生产与传统的手工打磨相结合的方式。这是现代工艺和传统工艺的完美结合。”

尽管Wagner Custom Skis以生产碳纤维复合材料滑雪板见长,但它同时也是玻纤复合材料的重要推广者。“玻璃纤维是生产滑雪板的绝佳材料,重量轻、强度高、扭转刚度高、减震性能优异。”

  极限荒野滑雪(Backcountry Ski)和登山滑雪(Alpine Touring)

  Wagner方面表示说,当行至上坡路段甚至是在进行垂直攀爬时,碳纤维复合材料滑雪板可以极大减少运动员的能量消耗。Grande相信,在过去的3-5年中,碳纤维复合材料在滑雪界备受欢迎。这是因为人们的兴趣不再局限于常规雪场,越来越多的爱好者将视线投向了人迹罕至的荒山野岭。  

  “那么怎样才能控制滑雪板的重量呢?人们自然而然想到了碳纤维。”Grande解释说。与此同时,登山滑雪作为一种新兴的运动方式开始走入人们的视线(先徒步登上高山然后顺山势滑下)。

  新西兰C6 Skis公司所生产的滑雪板专为极限荒野滑雪和登山滑雪而设计。C6公司采用的是热压罐固化碳纤维预浸料工艺(ACCP)。一般情况下,生产碳纤维复合材料滑雪板采用的是湿法铺层工艺,将碳布浸渍于树脂中,压合后进行加热固化。但在C6公司创始人Craig Stirling眼中,这种方式会产生多余的重量。
 

  C6公司使用的是由固瑞特提供的碳纤维单向预浸料,在一个四方形的模具中进行铺层。其中,在三明治结构的上半部分,包含了一层碳纤维斜纹布。C6公司对上下两个半层进行切割,以契合滑雪板的外观要求。然后,上半部分装入阳模、下半部分放到1.4毫米聚乙烯基座上之后装入阴模,再一起装入真空袋,送入热压罐中,在80摄氏度、7个大气压条件下进行固化。最后脱模成型。

  挑战和前景



尽管有很多滑雪从业者为碳纤维预浸料站台,但必须认识到,过分追求滑雪板的“弹性”可能导致行进过程变得非常“颠簸”,降低了运动体验。同时,Alex Hunt还承认,作为一种材料,碳纤维很难加工处理,用其制得的滑雪板的形状也很难控制。因为冷却状态下,碳纤维和树脂之间的结合便不那么紧密了。上述种种缺陷,最终会影响滑雪板的生产进度。

综上所述,在找到有效的低成本碳纤维制备方法之前,碳纤维复合材料很难在运动行业里有大的作为。这一点与其在其他应用领域中面临的处境颇为相似。市场咨询公司Lucintel的分析表明,与其他行业相比,碳纤维在运动行业推广的速度稍显缓慢。然而Grande表示说,随着登山滑雪这一新兴运动形式的风靡,以及人们追求更大尺寸滑雪板的趋势,碳纤维或许将迎来在运动行业中更加快速的发展。

  复合材料滑雪板的简史

  根据国际滑雪历史协会(ISHA)的记载,世界上第一支玻纤复合材料高山滑雪板诞生于加拿大蒙特利尔,由工程师Fred Langendorf和Art Molnar发明,并注册了Toni Sailer的商标名。三年之后,Bill和Don Kirschner创办了K2 Sports公司,开始生产自主品牌的玻纤复合材料滑雪板。1967年,Art Molnar离开Fred Langendorf转而投奔K2 Sports公司,并研发出一款使用了泡沫芯材的玻纤复合材料滑雪板。到1968年,玻璃纤维取代木材和铝材,成为障碍滑雪和大多数娱乐滑雪使用的滑雪板材料。1970年,玻纤复合材料进入越野滑雪领域。

20世纪七十年代,滑雪界对复合材料做出设计优化和改良。玻纤预浸料的使用提高了生产效率,但却十分昂贵;S级玻纤取代E级玻纤成为湿法铺层工艺中使用的材料;同时,人们还在玻纤中混入少量的kevlar芳纶、碳纤维、陶瓷纤维和其他高强度材料来提升滑雪板的整体强度、弹性、抗震性等等。烧结聚乙烯取代了拉挤聚乙烯,成为滑雪板基座的使用材料。

  现存最古老的北欧式滑雪品牌名为Biri,由挪威Madchus公司创立,后于1988年被K2 Sports公司收购。自1906年起,Madshus开始从事北欧式滑雪板的设计,并于1974年开始生产玻纤复合材料滑雪板。1979年,Madshus引入了双抗扭箱的设计理念,奠定了当下世界上绝大多数滑雪板的设计标准。

1989年,Bucky Kashiwa公司推出首个商业量产的钢制滑雪板Volant Skis。初期获得了一些成功,但因为人工成本太高而于2001年迅速衰落,工厂被迫迁往奥地利。部分生产设备被David Goode购买,并用来生产碳纤维复合材料滑雪板。2005年,DPS公司推出了世界首款(同时也是北美地区唯一一款)纯粹使用碳纤维预浸料生产的三明治结构滑雪板。时至今日,碳纤维预浸料在滑雪运动中的应用正呈现日渐上升的态势。



 

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-6029.html