2024 年巴黎奥运会不仅是全球体育健儿的竞技舞台，也是各种创新材料和技术的展示窗口。碳纤维作为一种具有卓越性能的材料，在本届奥运会中得到了广泛的应用，为运动员们提供了更出色的装备，助力他们追求更高、更快、更强的目标。
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/ 碳纤维在2024年巴黎奥运会中广泛应用 /
碳纤维在体育赛事中的应用范围广泛，涵盖了多个项目和领域。碳纤维具有重量轻、强度高、刚性好等特点，这些特性使其成为制造高性能体育器材的理想材料。在巴黎奥运会的多个项目中，都能看到碳纤维的身影。
01
自行车项目
在奥运会中比赛用的自行车大多为碳纤维自行车，它是车架、前叉、轮组等主要配件以碳纤维为原料的自行车。奥运会有几个自行车项目，每个项目的装备都大不相同。但是，无论参赛者骑的是带实心盘轮的无刹车履带自行车，还是更熟悉的公路自行车，还是高度耐用的BMX和山地自行车，这些设备都有一个特点——CFRP车架。加利福尼亚州欧文的Felt Racing LLC等制造商指出，碳纤维是当今任何高性能自行车的首选材料。
碳纤维自行车具有以下优点：
质轻，强度大，碳纤维比重不到钢的1/4，用碳纤维制造车架重量是普通合金车架的1/4；冲击吸收性好，可以制成不用避震器的自行车；碳纤维结构稳定，其耐蚀性出类拔萃，经过百万次循环应力疲劳试验后，其强度保留率仍可达60%，而钢材为40%，可使体育器材的使用寿命增长；造型容易，制品脱模效果好，利用碳纤维可以制造各种形状的车架；成型后脱模简单，在脱模后其加工处理也非常简单，模具残留树脂也很好清理，而且脱模次数多。
应用案例：
我国此次交付的巴黎奥运会比赛用车喜德盛战车—采用T1100碳纤维材料打造，车架仅有1150克的“梦幻”重量，整车仅重9.6千克，采用单转点一体式后三角结构等多项精妙设计，在全球同级产品中做到了最轻，是尖端科技与前沿潮流的完美呈现。奥运战车的涂装以中国红和中华巨龙彰显民族自豪，具有高科技、高品质、高颜值的特点。
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02
水上运动：赛艇皮划艇
碳纤维复合材料帮助赛艇运动员登上领奖台，无论是在平静的水上比赛还是在激流回旋比赛中，这两个项目的运动员都需要寻求最佳的滑行感觉。轻量化和坚固性是关键的性能参数，两者可以大大提高船只的机动性。在赛艇运动的世界里，船越轻，价格就越高。
对于高水平运动员来说，碳纤维是最受追捧的材料。由于船只由人力驱动，运动员需要根据不同的项目使用桨。为了最大限度地发挥每一次划桨的潜力，桨现在都是由复合材料制成的。它们重量轻，使用方便，主要由碳纤维制成。就像皮划艇划桨一样，划桨叶片也由碳纤维或玻璃纤维制成，是一种灵活、轻便、耐腐蚀的配件。
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代表性碳纤维复合材料赛艇运动结构件：
①Vega Composites的Black Carbon系列产品可提供赛艇船体，其中的复合材料有助于优化船舶各方面的性能。船体由100%环氧树脂预浸渍单向碳纤维制成，具有无与伦比的轻盈性和坚固性。船上设备，如赛艇运动员的力量传递装置（脚踏杆、滑动座椅），也由碳纤维制成。
②Revolution Extreme是一款创新的激流回旋独木舟桨，由最优秀的回转独木舟运动员之一设计。额外的凹槽（DRS）和覆盖动力面表面的不规则形状增加了有效功。碳纤维展开的丝束外层不仅呈现出大编织正方形的独特设计，还使Extreme桨板超轻，具有前所未有的刚度。Extreme型号比标准3K碳纤维织物技术轻15%，最终重量仅为470-520克。
桨叶外缘有不锈钢加强件（金属尖端），可保护桨叶免受损坏和桨叶撞击河流。在2019年激流回旋世界锦标赛期间，前十名选手中有六名在C1男子组的最后一场比赛中使用了Revolution Elite或Revolution Extreme碳纤维桨。
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03
田径项目：撑杆跳
撑杆跳高作为田径四大跳跃项目（跳高、跳远、三级跳和撑杆跳）之一，正受到越来越多的关注。同时，作为跳高运动员最重要的工具撑杆，也在不断地发生变化。碳纤维可以有效增加刚度，通过在其管状设计中使用 100 多种不同类型的纤维，它可以精确地微调其杆的属性，以实现令人难以置信的轻盈与小手柄的平衡。
碳纤维撑杆的出现大幅提升了撑杆跳的成绩。随着材料学的发展，碳纤维撑杆的性能不断改进。目前撑竿跳高使用的碳纤维撑竿通常分为三层，外层是高强力碳纤维，可保证撑竿既柔韧又结实；中间是碳纤维带状织物；里层是绷带状的玻璃纤维，以防撑竿断裂或扭结。
碳纤维撑杆具有以下优点：
一、强度高：能够承受运动员起跳时产生的巨大压力。
二、重量轻：有助于运动员减少体能消耗，提高助跑速度和起跳效率。
三、弹性好：在受到冲力时能产生大幅度形变，将动能迅速转化为势能，然后以弹力势能的形式作用于运动员，将人体“弹”起。同时，撑杆受力后能迅速弯曲，杆绕插头向前转动的半径减小，可加大转动角速度，使撑杆能较快竖直。
应用案例：
世界优秀男子撑竿跳高运动员布勃卡使用碳纤维撑竿跳过了6米大关，他曾35次刷新世界纪录；伊辛巴耶娃使用碳纤维撑竿22次打破世界纪录。在2000年悉尼奥运会上，碳纤维撑竿被男子选手普遍使用，前8名的成绩全部达到了5.80米以上。
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04
球类运动：碳纤维球拍
碳纤维在球类运动中的应用，主要优势在于减轻装备重量、增强力量传递、提高控制精度和反应速度，从而帮助运动员提升比赛表现。碳纤维在球类运动中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用及优势：
一、网球拍：网球拍的框架常采用碳纤维材料，具有如下优势：
①减轻重量：让运动员在长时间比赛中减少负担，更轻松地挥动球拍。
②增加力量传递：有助于将击球时的力量更有效地传递到球上，从而增加球速。
③提高稳定性：增强球拍的结构稳定性，减少球拍在击球时的扭曲和震动。
二、羽毛球：羽毛球拍的制造采用碳纤维材料，具有如下优势：
①快速反应：使得球拍更轻，运动员可以更迅速地做出反应和击球动作。
②增强控制：有助于精确控制击球的方向和力度。
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三、高尔夫球：高尔夫球杆的杆身采用碳纤维材料，具有如下优势：
①优化挥杆：减轻球杆重量，改善挥杆的节奏和速度。
②增加击球距离：更好地传递力量，使球飞得更远。
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05
竞技项目：射箭
碳纤维凭借其重量轻、强度高、减震好、耐疲劳等优势，显著提升了射箭器材的性能，帮助运动员在比赛中发挥出更高的水平，取得更好的成绩。在射箭运动中，碳纤维被广泛应用于弓身、箭杆等关键部件。
在射箭项目中，改善射箭用具的性能是提高射箭成绩的重要途径，而改善其用具性能的主要方法就是提高弓和箭的比弹性。当今世界最好的弓是碳纤维复合材料系列产品，由碳纤维复合材料制作的弓臂(弓片)可承受50 kg／Hun2的弯曲应力，赋予箭最大的初速度和最远的射程。开弓射箭，一张一弛，碳纤维复合材料的耐疲劳特性是玻璃钢和金属材料所无法比拟的，因而所制弓臂的使用寿命更长。
碳纤维用于制造弓身具有以下显著优势：
①重量轻：相比传统材料，碳纤维弓身极大地减轻了整体重量。可以让运动员更轻松地持弓和瞄准，有助于保持稳定和持久的射击姿势。
②高强度：碳纤维具有出色的强度，能够承受射箭时弓弦释放的巨大冲击力而不变形。这确保了弓身的结构稳定性，为每次射箭提供了可靠的支撑，有助于提高射击的准确性和一致性。
③良好的减震性能：射箭时产生的振动会影响运动员的手感和射击精度。使运动员能够更清晰地感受到弓弦的释放和箭的飞行，从而更好地调整射击技巧。
④耐疲劳性：经过多次射箭的反复冲击，碳纤维弓身不容易出现疲劳损伤，具有较长的使用寿命。这意味着运动员无需频繁更换弓身，降低了使用成本。
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/ 盘点北京冬奥会使用的碳纤维制品 /
2022年我国成功举办的北京冬奥会世界瞩目，一系列拥有碳纤维自主知识产权的冰雪装备、核心技术，同样惊艳无比。下文将对北京冬奥会中使用碳纤维材料制作的装备进行盘点。
01
碳纤维火炬‘飞扬’
2022北京冬奥会火炬“飞扬”是全球首次以碳纤维复合材料制作奥运火炬外壳。解决了氢燃料燃烧时火炬需要耐高温的技术难题，使其具有“轻、固、美”等特点，能够实现在高于800摄氏度的氢气燃烧环境中正常使用，相比冰冷的金属火炬外壳，“飞扬”更加让火炬手感到温暖，助力“绿色奥运”。
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往届奥运会的火炬外壳燃烧段一般采用金属制作，例如钢、铝合金等，但此次使用中国石化碳纤维复合材料制作的火炬外壳，不仅造型美观、手感舒适，而且与金属材质相比，重量减轻了30%左右，兼具轻、固、美的优点。“飞扬”采用了三维编织技术，一条条黑色丝束，每一束都包含着1.2万根碳纤维丝。经过三维立体编织，最终就像“织毛衣”一样织成了火炬外壳，既能够耐高温，又能够耐火，在800摄氏度左右的燃烧环境下都可以正常使用，能够长时间承受火炬燃烧时产生的高温。这是碳纤维材料首次被用在火炬之上，也是我国自主生产的碳纤维材料的精彩亮相，汇聚了世界的目光。
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02
雪上运动：雪车和雪车头盔
由山西钢科生产的TG800碳纤维制作的雪车和雪车头盔助力北京冬奥会。雪车是冬奥会速度最快且观赏性极高的项目之一，胜负常在毫秒之间，因此对硬件要求十分严格。
碳纤维复合材料在雪车的应用具有以下优势：
①减轻雪车重量：碳纤维复合材料可以减轻雪车重量，同时保护运动员在撞车事故中免受伤害。
②优化雪车外形：复杂结构高精度整体制造技术确保了雪车外形的高质量制备，使得整车仅由3大部件组成，连接结构少，外形精度高。
③降低风阻系数：气动外形设计技术利用流体力学计算和风洞测试，经过多轮迭代，使风阻系数比进口雪车降低5%以上，经过测算可以提高0.3-0.5秒的竞赛成绩。
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碳纤维雪车头盔广泛应用在国家队冬奥项目训练中。制作团队运用3D逆向建模、点阵结构3D打印技术，通过采集运动员的数据，进行一对一个性化定制雪车头盔，以达到能贴合每一位运动员实际需求的效果。该款精心“智”造的头盔具有个性化、减重、安全性等特点。
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冰上运动：冰球杆和冰鞋
在2022年冬奥会中，碳纤维冰球杆亮相冬奥赛场。冰球杆基材碳纤维复合材料采取在制作碳纤维布时混入流体成型剂的工艺方法，将流体成型剂的流动性降低到预设阈值之下，并使碳纤维布的质量误差控制在±1g/m2－1.5g/m2。通过提供低流动性的流体成型剂，且模具的充气压力一定时，可保证碳纤维球杆基材表面仍然有足够的流体成型剂附着，并参与后续的成型过程中，充足的流体成型剂保障了冰球杆的韧性，使得运动员在挥打冰球杆时不易出现球杆开裂或折断的情形，确保冰球杆结实耐用。
冬奥会冰球杆使用碳纤维具有以下优势：
①高强度和轻质：碳纤维具有极高的强度，同时重量很轻。这使得运动员在击球时能够更有力地发力，同时不会因为球杆过重而影响动作的灵活性和速度。
②良好的弹性和能量传递：碳纤维材料具有出色的弹性，能够在击球时储存和释放能量，使击球更具威力和准确性。能量传递效率高，让运动员的力量能够更有效地作用于冰球。
③抗疲劳性强：在频繁的击球和碰撞中，碳纤维冰球杆不易出现疲劳和损坏，具有较长的使用寿命。
④精准的控制性能：碳纤维的特性使球杆在击球时的反馈更清晰，有助于运动员更精准地控制击球的方向、力度和角度。
⑤适应低温环境：碳纤维在低温下性能稳定，不会因为寒冷的比赛环境而变得脆弱或性能下降。
⑥减少振动：能够有效地吸收和减少击球时产生的振动，降低对手部的冲击，提高运动员的舒适度和手感。
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国产3D打印碳纤维速滑冰鞋助力冬奥：
为了改变全球知名碳纤维速滑冰鞋均由欧美公司垄断生产的局面，河北经贸大学运动生物力学教授杨金田及其科研团队建立了速滑运动员脚型和足底的数据库、足底3D扫描与打印系统。历时1年多时间，成功研制出第一代高性能碳纤维复合材料速滑冰鞋。碳纤维主要应用在冰鞋的鞋身部分和冰刀与鞋身的连接部位。与中国高端速滑冰鞋相比，碳纤维冰鞋重量减轻3%-4%，冰鞋剥离强度提升7%。
冬奥会冰鞋使用碳纤维具有以下显著优势：
①高强度和轻量化：碳纤维的高强度特性使得冰鞋在保持坚固的同时，大大减轻了整体重量。这有助于运动员减少体能消耗，更轻松地做出各种动作，提升速度和灵活性。
②良好的能量反馈：碳纤维能够迅速吸收和释放运动员施加的力量，在蹬冰时提供高效的能量传递，从而增加滑行的爆发力和速度。
③精确的控制性能：碳纤维材料可以提供更精确的脚部控制感，让运动员在细微的动作调整中更准确地控制冰刀的角度和方向，实现更精准的转弯和刹车。
④优异的稳定性：碳纤维增强了冰鞋的结构稳定性，减少了在剧烈运动中的变形，为运动员的脚部提供稳定的支撑，降低受伤风险。
⑤适应低温环境：碳纤维在低温下仍能保持良好的性能，不会因为寒冷而变得脆弱或失去强度。
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/ 碳纤维在体育赛事应用中的发展趋势 /
随着科技的不断进步和体育赛事对高性能装备需求的持续增长，碳纤维在体育赛事中的应用正呈现出一系列令人瞩目的发展趋势。
一、碳纤维材料的性能将不断优化和提升：
研发人员将致力于进一步提高碳纤维的强度、刚度、韧性和耐疲劳性等关键性能指标。这意味着未来的体育器材将更加坚固耐用，能够承受更高强度的使用和更极端的条件，为运动员提供更可靠的支持。
二、碳纤维与其他材料的复合应用将日益广泛：
通过将碳纤维与金属、陶瓷、高分子材料等结合，创造出具有综合优势的新型复合材料。例如，碳纤维增强金属基复合材料可能会在一些对强度和耐磨性要求极高的体育器材中得到应用，如赛车零部件；碳纤维与高分子材料的复合则有望用于制造更轻便、更舒适的运动服装和防护装备。
三、个性化定制将成为主流：
借助先进的计算机模拟和 3D 打印技术，根据每位运动员的身体特征、运动风格和比赛需求，量身定制碳纤维体育器材。这种个性化的装备能够最大程度地贴合运动员的身体，提高舒适度和竞技表现。
四、智能化与碳纤维的结合将是重要方向：
在碳纤维器材中嵌入传感器和电子元件，实时监测运动员的运动数据，如力量、速度、姿态等，并将这些信息反馈给运动员和教练，以便进行更精准的训练和战术调整。
五、可持续发展将受到更多关注：
随着环保意识的增强，碳纤维生产过程中的环境友好型技术将得到进一步发展，以减少对能源的消耗和对环境的污染。同时，碳纤维器材的回收和再利用技术也将不断改进，降低资源浪费。
六、碳纤维在新兴体育项目中的应用将不断拓展：
随着极限运动、电子竞技等新兴体育领域的兴起，碳纤维将凭借其优异的性能，为这些项目开发出独特的装备和设施，满足不断变化的市场需求。
碳纤维复合材料在体育赛事中的应用前景广阔，未来将继续为体育行业带来创新和变革，助力运动员挑战更高的竞技水平，同时也为观众带来更精彩的体育盛宴。
