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材料人看鸿赞 带你了解冬奥会滑雪板
发布时间:2022-02-10 15:00:18 点击次数:95

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在运动会上,选手的身体成果和训练成果很重要,同时选择合适的体育用品也是成功的重要因素之一。以滑雪板为例,其制成材料发生了很多变化,上个世纪后半期,玻纤复合材料开始用于滑雪板的制造。从那以后,其成为了体育用品制造商的主要原料。今天,作为材料人,我们就聊聊滑雪板的材料知识。


滑雪板一般分为高山板、越野冬季两项板、跳台板、自由式板、单板等。滑雪单板大致分三种类型(全能板、公园板、高山板),映射了单板的几种玩法和地形(回转、跳台、U槽、平地花式、BOX、RAIL、高山)。雪板的基本参数有长度、宽度、硬度、板型、弹性、有效边长等。雪板的技术要素有板芯、板底、板面、板刃等。


在早期的滑雪运动中,木材是滑雪板制材的首选,因为木材密度低、强度高,能做出各种各样的形状,而且容易操作。为了便于人们操控,起初的滑雪板又薄又长,在结合部位还有一块较厚的木材。


不过,木材的致命伤在于,易受潮变形、扭转状态下强度比较低。因此,之后的滑雪板改变了传统的单片木质结构,混合了塑料板基、钢铁、边缘以及铝合金等结构元素,大大增加了板的强度、弹性和稳定性,板身长度也逐渐变短。


复合材料滑雪板的简史

根据国际滑雪史协会(ISHA) 的记录,用玻纤复合材料制作的世界第一支高山滑雪板, 是由工程师Fred Langendorf和 Art Molnar发明的,诞生于加拿大蒙特利尔,以 Toni Sailer 的商标名称注册。


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三年后,Bill 和 Don Kirschner 创立了K2运动,开始生产自己品牌的玻纤复合滑雪。1967年,Art Molnar 加入K2运动,开发了带有泡沫芯的玻纤复合滑雪板。到1968年,玻纤复合材料替换了木材和铝成为最常用于娱乐滑雪的滑雪板材料。1970年,玻纤复合材料进入越野滑雪领域。


20世纪70年代,滑雪行业进行了复合材料的设计优化和改进。玻纤预浸料的使用可以提高生产效率,但非常昂贵。s级玻纤将e级玻纤替换为湿式层压工艺中使用的材料。同时,在玻纤中混合少量 kevlar芳纶、碳纤维、陶瓷纤维和其他高强度材料,提高整体的强度、弹性、耐冲击性等。


Biri是现有最古老的北欧滑雪品牌,由挪威麦迪逊公司创立,1988年被K2体育公司收购。从1906年开始,马杜斯从事北欧滑雪板的设计,1974 年开始生产玻纤复合滑雪。1979 年,马杜斯引进了双扭力箱的设计理念,制定了世界上大多数单板滑雪的设计标准。


1989年,Bucky Kashiwa 创立了第一个商业批量钢制滑雪板项目。虽然在初期阶段取得了成功,但2001年由于人工费很高,不得不搬迁到奥地利。生产设备的一部分由大卫·古德购买,用于生产碳纤维复合滑雪。2005年,DPS公司推出了世界上第一款(也是北美唯一一款)拥有纯粹用碳纤维预浸料生产的三明治结构的滑雪板。今天,碳纤维预浸料在滑雪板中的应用正在增加。


复合材料滑雪板

在上上届冬季奥运会上,玻纤增强材料进入了滑雪场,成为了滑雪板产业的明星材料。滑雪板产业的原料,经过许多世代的发展,现在的主角是玻纤强化材料。


K2体育公司说,玻纤复合材料在滑雪中的应用和开发,源于滑雪运动员不同的运动需求。高山滑雪主要由重力驱动,极端荒野滑雪作为原动力依赖于其自身。判断它们的差异在于对滑雪板材料有不同的要求。


Wagner公司是玻纤复合材料的重要推广者。据该公司介绍,“玻璃光纤是轻量、高强度、高扭转刚性和优异的冲击吸收性能的单板滑雪的优秀材料。



权威滑雪者提出初学者必须认识到对滑雪板“ 弹性”的过度追求可能会导致“凹凸不平”的滑行,从而减少滑雪体验。因此,纤维增强材料复合滑雪板目前是更好的选择。


复合材料在高山滑雪板(Apline Ski)上的应用

有很多种适合高山滑雪的滑雪板,但以铝和复合材料的混合物为主流,环氧胶粘剂主要用作粘结材料,因为这是通过实践测试的最佳方案。


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位于美国犹他州盐湖城的 DPS Skis 滑雪公司现在是业界主要的滑雪板制作商之一。该公司采用纯碳纤维预浸料的制造工艺。DPS Skis官方网站表示,行业其他多家企业也在使用该技术,但声称在实际生产流程中混合了玻纤。


DPS 的营销经理说,碳纤维的使用不仅有轻量化的效果,也有助于制造商更准确地控制滑雪板的刚性,为运动员提供更好的控制体验。与玻纤复合滑雪相比,碳纤维的耐疲劳性优异。此外,使用“预浸料”作为标准半成品可以最大限度地减少手动铺层比例误差,并确保滑雪的所有位置的性能一致性。


当然,上述比较并不意味着玻纤复合滑雪板没有用。设计滑雪板时,Wagner定制滑雪准备了约100种替代材料。所有由 Wagner 制造的滑雪板,都以超高弹性模量聚乙烯为基础,以木材为核心,由玻纤复合材料、碳纤维复合材料或其混合物加固。Wagner 公司采用湿式层压工艺,树脂通过加热、固化、气压压制形成。


复合材料在极限荒野滑雪(Backcountry Ski)和登山滑雪(Alpine Touring)上的应用

在上坡和垂直攀登时,轻量化的碳纤维复合滑雪板可以大幅减少运动员的能耗。Grande认为,在过去的35年里,碳纤维复合材料因滑雪而备受欢迎。这是因为人们的兴趣不再局限于传统的滑雪地,越来越多的爱好者将目光投向人迹罕至的荒山野岭。


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“那么,控制滑雪板重量的方法是什么?人们自然会想到轻质高强的碳纤维材料。”Grande 解释说。同时登山和滑雪作为新的运动,开始进入人们的视野(徒步登山,然后下山)。


新西兰 C6 Skis 滑雪公司生产的滑雪是专门为极端荒野滑雪和登山滑雪设计的。C6公司采用高压釜硬化碳纤维预浸料工艺(ACCP)。一般来说,碳纤维复合滑雪板的制造采用的是将碳纤维布浸在树脂中,挤压加热,使之硬化的湿式层压工艺。但是,在 C6 公司创始人 Craig Stirling 的眼中,这个方法会产生额外的重量。通过复合材料的应用,可以在保持材料刚性的前提下,有效减少重量。


虽然许多滑雪者都是碳纤维预浸料的支持者,但需要认识到,过度追求滑雪板的“弹性”过大可能会导致旅行过程中的“ 颠簸”, 从而减少体育体验。同时,碳纤维很难处理,由此制成的滑雪板形状也很难控制。由于处于冷却状态,碳纤维和树脂的结合不是很紧密。所有这些缺陷最终都会影响滑雪板的生产进度。


近年来,为了得到更好的运动性能,应用了在电场下变形时有可能产生电荷的压电纤维复合材料。通过压电纤维复合材料和芯片技术的结合,滑雪板可以拥有智能化的管理系统。


目前由于制造技术等原因,一些复合材料滑雪板造价比较高,卖价也比较高,但在不远的将来,随着技术的成熟,低温强韧性可回收再利用复合材料将成为滑雪用具制造的主要材料。


总而言之, 碳纤维复合材料在找到有效的低成本碳纤维制造方法之前,很难在体育行业取得巨大的成果。这与在其他应用中遇到的情况非常相似。但是由于登山和滑雪的人气、体育的新形式以及更多追求高质量滑雪板的人们的倾向,以及中国3亿人参加冰雪运动的规划,碳纤维复合材料有望引导体育行业更快的发展。除了滑雪板,玻纤增强复合材料还用于滑雪车、滑雪鞋、滑雪杆、滑雪服、滑雪头盔等。