体育行业新材料的机遇与挑战

一、体育新材料面临的商机
    2001年中国的体育消费品总量达到了约259亿美元，并且每年正以15％的速度增长，预计2006年的市场容量将达到503亿美元。世界体育用品联合会公布，目前全世界65％的体育用品是中国制造的，中国已经成为世界上最大的体育用品生产基地。最新数据显示，光是2008北京奥运会所需的各类体育器材、设备用品等，价值就接近1.7亿元。据不完全统计，我国目前有体育用品生产企业600余家，一年的销售额在300亿－400亿元。据悉，到2010年，我国体育产业的年产值占GDP的比重有望增至0.3％，但在发达国家，这一比例已达到1％到3％之间。这表明，中国体育产业的发展空间是巨大的。
    各种材料是制造体育场地、体育器材、体育服装的基础，材料的性能将直接决定体育用品的安全性和专业程度。在高水平竞技运动的成绩接近人体体能极限的情况下，依靠改变内在变量来提高运动成绩的难度越来越大，为促进运动成绩的提高，人们越来越热哀于利用现代高新技术来改变外在变量，即注重运动器材和装备的革新，而这种变革使得功能材料广泛用于体育用品的时代到来。以游泳衣为例，在40?50年代，丝绸游泳衣称雄泳坛，进入50年代后期，尼龙游泳衣开始风靡世界，在1988年的汉城奥运会上，美国选手凭借“大力士”游泳衣取得了金牌，这种泳衣由超细尼龙纤维和聚氨纤维材料制成，其平滑度和伸缩性是普通游泳衣的2倍以上。2000年奥运会大出风头的“鲨鱼皮泳衣”，则是由聚四氟乙烯材料制成，是流体力学和材料科学等多学科专家共同研制的成果。穿这种泳装，可以更合理地分配肌肉和关节的负荷，使消耗的能量减少30％，游100米自由泳，约能加快1秒的时间。悉尼奥运会上，包括澳大利亚的索普在内的大多数获得奖牌的游泳选手均采用这种新式泳装。
    当今世界竞技体坛，各种新型竞技装备、器材不断面世。设计科学的竞技装备是运动员取胜的法宝之一，特别是在运动员竭尽体能极限的情况下，竞技装备器材的科技含量显得更为重要。将功能新材料运用到体育用品中，是21世纪体育用品产业发展的主流。

二、体育新材料的应用现状
1，高分子材料在运动服装上的应用
    运动员在高速运动中会发生高热量散发，同时大量排汗造成高温高湿，从而影响了运动水平的发挥。因而，运动服装要求具有高弹性、高吸湿性和保暖透气性能。目前，国外已开发成功天气状况记忆聚合物包覆尼纶或涤纶的新兴面料。天气炎热时，纤维会自动张开，让汗水排出；天气寒冷时，纤维会自动关闭，产生保暖作用。另外，采用一种晶体可塑性特别好的新型纤维材料，随气温变化可以有效的贮存或释放能量。当环境温度升高时，晶体会吸收能量；当温度降低时，则会把能量释放出来，利用这种材料制成的运动服，令运动员倍感舒适愉快。
    在体育服装的纤维开发上，世界著名企业的产品均有广泛应用。如美国杜邦公司的化纤以很高的保暖性能而著称，在极细的纤维中制造有多个细孔，是制作保暖服装、睡袋的高级材料。3M公司生产的THINSULATE为特薄保暖棉，其保暖性能比羽绒还高，能抵御摄氏零度以下的低温，且轻便舒适，易于清洗。

2，运动鞋中应用的新型材料
    新材料可使其适用于不同人群和运动种类的特殊需要。奥运百米“女飞人”、美国运动员玛丽安?琼斯穿的新式跑鞋，只有前半截，其总质量只有99克，是有史以来最轻的运动鞋。耐克(Nike)公司为罗纳尔多特别制作的“水银”(MeDMal)球鞋，采用了柔软超轻的KNG?100材料网眼织物配合聚氨酯涂层，为球员提供最佳的触球感觉和不同凡响的透气性。而今年最出名的鞋恐怕要算耐克公司专门为我国110米栏选手刘翔参加奥运会定做的“红色魔鞋”了，它是目前耐克公司最轻的一双钉鞋。
    拜尔公司开发的Bayflex聚氨酯制成的鞋底具有出色的吸震特性，能够保护人们的关节和脊椎，与传统材料制成的鞋底相比，重量?少40%。使用柔韧耐磨的热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，?且能耐受低温。其特性非常适合生产足球鞋，因为足球鞋需要具备好的抓地性，同?又得防土防水。但最为关键的是它们必须有缓冲作用，能将压力分散到较大的面积，从而保护球员的关节、韧带和肌肉。
3，运动器材中的新兴材料
    目前全球每年要生产6000万打高尔夫球，质量为2万吨，使用的都是橡胶材料。在打高尔夫球时，球杆头承受冲击力高达几百公斤/平方厘米，一般的材料在如此巨大冲击下，会发生永久性形变而不能回复原状。现在，高尔夫球杆采用碳纤维复合材料，具有比重小、高强度、高弹性及耐冲击等特点。
    在球拍生产中，全世界范围多采用玻璃纤维增强尼龙材料，这种球拍无论在重量、强度和手感性能等方面都大大优于木制球拍和金属框球拍。美国奥托公司生产的网球拍，采用聚醚酰胺塞块，减少了框架与手柄蕊之间的振动，使用效果非常好。表1列举了世界知名网球拍的材料组成。
表1：世界知名品牌网球拍应用新型材料的情况
 

    阿迪达斯Adidas所生产的“飞火流星Fevernova”足球被誉为可能是“历史上最精准的足球”。采用了拜耳公司研制的聚氨酯合成泡沫制作。这种合成泡沫由大小相同、具有高弹性、耐久性特别好的微型单元组成，球员触球后的能量会均匀地被整个球体吸收，改善球体的减振特性，提高了足球的可控性，并使得球速更快、飞行路线也更准确。另外，球体的外层是用一种特别耐磨的聚氨酯材料制成的，使得球体能够在特别恶劣的条件下使用。
    从撑杆跳的发展史可以更清楚地看到新材料对奥运成绩的贡献。历史上第一个撑杆跳纪录3.30米的成绩是用沉重、没有弹性的木杆跳出来的；1905年开始使用质量较轻、弹性稍好的竹杆，成绩达到4.77米；1930年出现较为坚固的金属杆后，运动员无撑杆折断之忧，握杆点和助跑速度都有了很大的提高，最好成绩达到4.80米；而后来随着质量更轻、弹性更大的尼龙杆出现，运动成绩也终于突破6米大关。

三、体育新材料的开发原则及方向
    我国在竞技装备研制方面尚处落后局面，在国际比赛中许多参赛装备器材需向国外购买。我国体育新材料的研究开发，应遵循以下发展原则及方向。

第一：多学科协同攻关显得尤为重要
    竞技装备的发展涉及生物力学、仿生学、材料科学、流体力学、机械工程等诸多学科，开发工作吸取各学科的理论和成果，能使竞技器材的设计、实验、选材、制作等都具有科技保障，而最终具有优越的使用性能。例如红鱼皮泳装的设计就运用了仿生学、流体力学、材科学和人体解剖学的知识和科技成果。研究者发现红鱼之所以能在水中高速游进，并非源于其强大的动力，而是由于其阻力极小的表皮。通过研究，制作出与红鱼皮极为相似的泳衣面科，并结合流体力学和人体的特征最后制成红鱼皮泳装。可见，竞技器材装备研制中发挥多学科的优势，能起到博采众家之所长、他山之石可以攻玉的效果。

第二：体育新材料设计开发必须满足的重要性能
    用于体育设施及体育器材的新材料必须具有质量轻、强度高、韧性好、长耐侯的特点。多数器械依靠人力来使其运动，因此要求器械越轻越好。器械轻量化不能牺牲强度，比强度、比模量、比韧性突出的材料更适合在运动器械和体育设施上使用。多数体育设施和运动器材在户外使用，受到紫外线的照射、雨水的侵蚀以及高低温的交替作用，耐候性较差的材料容易老化、表面龟裂等。良好的成型加工性也是体育新材料开发必须遵循的重要原则。 ?般说来，热塑性塑料及其合金用吹塑、挤出、注塑、热成型等方法加工成型比较容易。而先进复合材料(不管是热塑性树脂复合材料还是热固性树脂基复合材料)的成型就要困难得多。此外，还要考虑材料的阻尼减震性能、卫生环保性及性能价格比。 有的设施如体育场馆的地板、跳高用的缓冲垫、塑胶跑道等则需要良好的阻尼减振性；运动员所用器具如运动服饰的舒适感受则可能提高运动成绩；卫生环保性则要求材料在使用过程中不散发有害、有毒的气味、它是保证运动员安全性和舒适性的?个重要指标。

第三：体育新材料的安全行为至关重要
    运动伤害是影响运动员发挥高水平竞技状态的重要阻碍因素，运动安全性是开发体育材料必须考虑的重要因素。例如，足球运动员最容易发生胚骨骨折。美国北卡罗来纳州的Parker运动用品公司研制了一种胚骨防护装置，它是由一种原本在医院用易干、结实、合体铸模的材料邻硅氧烷制成的，对于预防骨折的发生有很好的效果。击剑的剑身所用的材料是碳钢，其结构极易产生微裂纹导致剑身折断而造成运动员的误伤，现在剑身采用的铁镍和钛的合金材料，并经长时间的弯曲工艺处理，内部微裂只有碳钢的l／20，极不易折断，运动员能无所畏惧地完成各种动作。现在对提高安全性的竞技器材装备的研制，都是基于伤害事故发生率较高或出现严重事故的情况才着手进行研究的，而预防预见性的研制工作却不多见，因此加强竞技装备材料安全性的前瞻性研究，对于减少伤害事故具有十分重要的意义。

第四：重视纳米技术在体育新材料中的运用
    纳米材料的特殊“纳米效应”引起材料特性的突变已广为人知，但纳米技术在体育器材中的运用还寥寥无几。在2005年，大大小小的公司争相把更多的基于纳米技术的产品从实验室推向市场。消费者将在威力更强的威尔逊的网球拍上看到纳米技术的影子，他们甚至还可以用上经特别设计的、能直线飞行的高尔夫球。纽约水牛城的飞赫科技股份有限公司（NanoDynamics Inc.）制造的纳米高尔夫球，它可以保证球在空中旋转时重心不会偏离轴心。这种球能够沿着平坦的高尔夫球道在空中沿直线飞行，着地后也不改变方向。飞赫科技股份有限公司的首席执行官基思?布莱克利说：“如果这种球有市场需求的话，我们将把它作为支柱业务。”他准备把每只球的售价定为5美元。可见，纳米技术在体育运动产业中的应用更是商机无限，中国应该迎头赶上。

    随着竞技体育向更高、更快、更强的方向发展，竞技装备器材在奥运会等重大国际赛事中发挥的作用将会越来越重要。我国虽然是体育器材用品的生产和出口大国，但在竞技装备器材的科技含量，依靠竞技装备器材提高运动员体能、技术和安全性，以及针对顶尖选手的专用装备等方面都还十分的薄弱。但是伴随着多学科领域的迅速发展，可以预见材料研究领域将不断取得新突破，它将带给竞技器材的开发提供更广阔的空间。