體育行業(yè)新材料的機遇與挑戰(zhàn)

一、體育新材料面臨的商機
    2001年中國的體育消費品總量達到了約259億美元，并且每年正以15％的速度增長，預計2006年的市場容量將達到503億美元。世界體育用品聯(lián)合會公布，目前全世界65％的體育用品是中國制造的，中國已經成為世界上最大的體育用品生產基地。最新數(shù)據(jù)顯示，光是2008北京奧運會所需的各類體育器材、設備用品等，價值就接近1.7億元。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前有體育用品生產企業(yè)600余家，一年的銷售額在300億－400億元。據(jù)悉，到2010年，我國體育產業(yè)的年產值占GDP的比重有望增至0.3％，但在發(fā)達國家，這一比例已達到1％到3％之間。這表明，中國體育產業(yè)的發(fā)展空間是巨大的。
    各種材料是制造體育場地、體育器材、體育服裝的基礎，材料的性能將直接決定體育用品的安全性和專業(yè)程度。在高水平競技運動的成績接近人體體能極限的情況下，依靠改變內在變量來提高運動成績的難度越來越大，為促進運動成績的提高，人們越來越熱哀于利用現(xiàn)代高新技術來改變外在變量，即注重運動器材和裝備的革新，而這種變革使得功能材料廣泛用于體育用品的時代到來。以游泳衣為例，在40?50年代，絲綢游泳衣稱雄泳壇，進入50年代后期，尼龍游泳衣開始風靡世界，在1988年的漢城奧運會上，美國選手憑借“大力士”游泳衣取得了金牌，這種泳衣由超細尼龍纖維和聚氨纖維材料制成，其平滑度和伸縮性是普通游泳衣的2倍以上。2000年奧運會大出風頭的“鯊魚皮泳衣”，則是由聚四氟乙烯材料制成，是流體力學和材料科學等多學科專家共同研制的成果。穿這種泳裝，可以更合理地分配肌肉和關節(jié)的負荷，使消耗的能量減少30％，游100米自由泳，約能加快1秒的時間。悉尼奧運會上，包括澳大利亞的索普在內的大多數(shù)獲得獎牌的游泳選手均采用這種新式泳裝。
    當今世界競技體壇，各種新型競技裝備、器材不斷面世。設計科學的競技裝備是運動員取勝的法寶之一，特別是在運動員竭盡體能極限的情況下，競技裝備器材的科技含量顯得更為重要。將功能新材料運用到體育用品中，是21世紀體育用品產業(yè)發(fā)展的主流。

二、體育新材料的應用現(xiàn)狀
1，高分子材料在運動服裝上的應用
    運動員在高速運動中會發(fā)生高熱量散發(fā)，同時大量排汗造成高溫高濕，從而影響了運動水平的發(fā)揮。因而，運動服裝要求具有高彈性、高吸濕性和保暖透氣性能。目前，國外已開發(fā)成功天氣狀況記憶聚合物包覆尼綸或滌綸的新興面料。天氣炎熱時，纖維會自動張開，讓汗水排出；天氣寒冷時，纖維會自動關閉，產生保暖作用。另外，采用一種晶體可塑性特別好的新型纖維材料，隨氣溫變化可以有效的貯存或釋放能量。當環(huán)境溫度升高時，晶體會吸收能量；當溫度降低時，則會把能量釋放出來，利用這種材料制成的運動服，令運動員倍感舒適愉快。
    在體育服裝的纖維開發(fā)上，世界著名企業(yè)的產品均有廣泛應用。如美國杜邦公司的化纖以很高的保暖性能而著稱，在極細的纖維中制造有多個細孔，是制作保暖服裝、睡袋的高級材料。3M公司生產的THINSULATE為特薄保暖棉，其保暖性能比羽絨還高，能抵御攝氏零度以下的低溫，且輕便舒適，易于清洗。

2，運動鞋中應用的新型材料
    新材料可使其適用于不同人群和運動種類的特殊需要。奧運百米“女飛人”、美國運動員瑪麗安?瓊斯穿的新式跑鞋，只有前半截，其總質量只有99克，是有史以來最輕的運動鞋。耐克(Nike)公司為羅納爾多特別制作的“水銀”(MeDMal)球鞋，采用了柔軟超輕的KNG?100材料網眼織物配合聚氨酯涂層，為球員提供最佳的觸球感覺和不同凡響的透氣性。而今年最出名的鞋恐怕要算耐克公司專門為我國110米欄選手劉翔參加奧運會定做的“紅色魔鞋”了，它是目前耐克公司最輕的一雙釘鞋。
    拜爾公司開發(fā)的Bayflex聚氨酯制成的鞋底具有出色的吸震特性，能夠保護人們的關節(jié)和脊椎，與傳統(tǒng)材料制成的鞋底相比，重量?少40%。使用柔韌耐磨的熱塑性聚氨酯制成的鞋底和鞋跟具有良好的抓地性和防滑性，?且能耐受低溫。其特性非常適合生產足球鞋，因為足球鞋需要具備好的抓地性，同?又得防土防水。但最為關鍵的是它們必須有緩沖作用，能將壓力分散到較大的面積，從而保護球員的關節(jié)、韌帶和肌肉。
3，運動器材中的新興材料
    目前全球每年要生產6000萬打高爾夫球，質量為2萬噸，使用的都是橡膠材料。在打高爾夫球時，球桿頭承受沖擊力高達幾百公斤/平方厘米，一般的材料在如此巨大沖擊下，會發(fā)生永久性形變而不能回復原狀。現(xiàn)在，高爾夫球桿采用碳纖維復合材料，具有比重小、高強度、高彈性及耐沖擊等特點。
    在球拍生產中，全世界范圍多采用玻璃纖維增強尼龍材料，這種球拍無論在重量、強度和手感性能等方面都大大優(yōu)于木制球拍和金屬框球拍。美國奧托公司生產的網球拍，采用聚醚酰胺塞塊，減少了框架與手柄蕊之間的振動，使用效果非常好。表1列舉了世界知名網球拍的材料組成。
表1：世界知名品牌網球拍應用新型材料的情況
 

    阿迪達斯Adidas所生產的“飛火流星Fevernova”足球被譽為可能是“歷史上最精準的足球”。采用了拜耳公司研制的聚氨酯合成泡沫制作。這種合成泡沫由大小相同、具有高彈性、耐久性特別好的微型單元組成，球員觸球后的能量會均勻地被整個球體吸收，改善球體的減振特性，提高了足球的可控性，并使得球速更快、飛行路線也更準確。另外，球體的外層是用一種特別耐磨的聚氨酯材料制成的，使得球體能夠在特別惡劣的條件下使用。
    從撐桿跳的發(fā)展史可以更清楚地看到新材料對奧運成績的貢獻。歷史上第一個撐桿跳紀錄3.30米的成績是用沉重、沒有彈性的木桿跳出來的；1905年開始使用質量較輕、彈性稍好的竹桿，成績達到4.77米；1930年出現(xiàn)較為堅固的金屬桿后，運動員無撐桿折斷之憂，握桿點和助跑速度都有了很大的提高，最好成績達到4.80米；而后來隨著質量更輕、彈性更大的尼龍桿出現(xiàn)，運動成績也終于突破6米大關。

三、體育新材料的開發(fā)原則及方向
    我國在競技裝備研制方面尚處落后局面，在國際比賽中許多參賽裝備器材需向國外購買。我國體育新材料的研究開發(fā)，應遵循以下發(fā)展原則及方向。

第一：多學科協(xié)同攻關顯得尤為重要
    競技裝備的發(fā)展涉及生物力學、仿生學、材料科學、流體力學、機械工程等諸多學科，開發(fā)工作吸取各學科的理論和成果，能使競技器材的設計、實驗、選材、制作等都具有科技保障，而最終具有優(yōu)越的使用性能。例如紅魚皮泳裝的設計就運用了仿生學、流體力學、材科學和人體解剖學的知識和科技成果。研究者發(fā)現(xiàn)紅魚之所以能在水中高速游進，并非源于其強大的動力，而是由于其阻力極小的表皮。通過研究，制作出與紅魚皮極為相似的泳衣面科，并結合流體力學和人體的特征最后制成紅魚皮泳裝。可見，競技器材裝備研制中發(fā)揮多學科的優(yōu)勢，能起到博采眾家之所長、他山之石可以攻玉的效果。

第二：體育新材料設計開發(fā)必須滿足的重要性能
    用于體育設施及體育器材的新材料必須具有質量輕、強度高、韌性好、長耐侯的特點。多數(shù)器械依靠人力來使其運動，因此要求器械越輕越好。器械輕量化不能犧牲強度，比強度、比模量、比韌性突出的材料更適合在運動器械和體育設施上使用。多數(shù)體育設施和運動器材在戶外使用，受到紫外線的照射、雨水的侵蝕以及高低溫的交替作用，耐候性較差的材料容易老化、表面龜裂等。良好的成型加工性也是體育新材料開發(fā)必須遵循的重要原則。 ?般說來，熱塑性塑料及其合金用吹塑、擠出、注塑、熱成型等方法加工成型比較容易。而先進復合材料(不管是熱塑性樹脂復合材料還是熱固性樹脂基復合材料)的成型就要困難得多。此外，還要考慮材料的阻尼減震性能、衛(wèi)生環(huán)保性及性能價格比。 有的設施如體育場館的地板、跳高用的緩沖墊、塑膠跑道等則需要良好的阻尼減振性；運動員所用器具如運動服飾的舒適感受則可能提高運動成績；衛(wèi)生環(huán)保性則要求材料在使用過程中不散發(fā)有害、有毒的氣味、它是保證運動員安全性和舒適性的?個重要指標。

第三：體育新材料的安全行為至關重要
    運動傷害是影響運動員發(fā)揮高水平競技狀態(tài)的重要阻礙因素，運動安全性是開發(fā)體育材料必須考慮的重要因素。例如，足球運動員最容易發(fā)生胚骨骨折。美國北卡羅來納州的Parker運動用品公司研制了一種胚骨防護裝置，它是由一種原本在醫(yī)院用易干、結實、合體鑄模的材料鄰硅氧烷制成的，對于預防骨折的發(fā)生有很好的效果。擊劍的劍身所用的材料是碳鋼，其結構極易產生微裂紋導致劍身折斷而造成運動員的誤傷，現(xiàn)在劍身采用的鐵鎳和鈦的合金材料，并經長時間的彎曲工藝處理，內部微裂只有碳鋼的l／20，極不易折斷，運動員能無所畏懼地完成各種動作。現(xiàn)在對提高安全性的競技器材裝備的研制，都是基于傷害事故發(fā)生率較高或出現(xiàn)嚴重事故的情況才著手進行研究的，而預防預見性的研制工作卻不多見，因此加強競技裝備材料安全性的前瞻性研究，對于減少傷害事故具有十分重要的意義。

第四：重視納米技術在體育新材料中的運用
    納米材料的特殊“納米效應”引起材料特性的突變已廣為人知，但納米技術在體育器材中的運用還寥寥無幾。在2005年，大大小小的公司爭相把更多的基于納米技術的產品從實驗室推向市場。消費者將在威力更強的威爾遜的網球拍上看到納米技術的影子，他們甚至還可以用上經特別設計的、能直線飛行的高爾夫球。紐約水牛城的飛赫科技股份有限公司（NanoDynamics Inc.）制造的納米高爾夫球，它可以保證球在空中旋轉時重心不會偏離軸心。這種球能夠沿著平坦的高爾夫球道在空中沿直線飛行，著地后也不改變方向。飛赫科技股份有限公司的首席執(zhí)行官基思?布萊克利說：“如果這種球有市場需求的話，我們將把它作為支柱業(yè)務。”他準備把每只球的售價定為5美元。可見，納米技術在體育運動產業(yè)中的應用更是商機無限，中國應該迎頭趕上。

    隨著競技體育向更高、更快、更強的方向發(fā)展，競技裝備器材在奧運會等重大國際賽事中發(fā)揮的作用將會越來越重要。我國雖然是體育器材用品的生產和出口大國，但在競技裝備器材的科技含量，依靠競技裝備器材提高運動員體能、技術和安全性，以及針對頂尖選手的專用裝備等方面都還十分的薄弱。但是伴隨著多學科領域的迅速發(fā)展，可以預見材料研究領域將不斷取得新突破，它將帶給競技器材的開發(fā)提供更廣闊的空間。