体育运动场地用合成材料探究

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摘要：合成材料面层具有很多优点，例如弹性大、强度高、耐磨性强、抗震减震能力好等，被广泛应用于各种场景。特别是过去十几年内，合成材料面层在体育运动场地中得到了很好的运用，并对运动员起到了很好的保护效果。该文主要针对体育运动场地用合成材料面层在冲击吸收性能方面研究进展进行简要综述，并对未来体育运动场地用合成材料面层的研究进行了展望。

关键词：体育运动场地；合成材料面层；冲击吸收性能

合成材料是指经过化学方法加工，将相关原材料进行化学合成而形成的一种人共材料。当前，常用的合成材料主要有三大类，分别为橡胶、塑料和合成纤维。随着合成材料的逐渐发展以及其独特的优势，其在各个领域都得到了广泛的应用，尤其是将其运用到体育运动的各种场地中，例如塑胶跑道、篮球场地等，不仅对于运动场地的发展有极大的促进作用，更对运动员的人身安全起到了重要的保护作用。作为体育场地用的合成材料需要具有优异的冲击吸收性能，才能得到广泛应用，对于合成材料的冲击吸收性能，通常采用冲击吸收系数FR进行表征。大量的研究证明，只有合成材料面层的冲击吸收系数在一定的数值范围内，才能对于运动员起到较好的保护作用，并有利于运动员成绩的提高，当冲击吸收系数超出或者低于这一范围，则不利于体育活动的开展。为此，本文针对体育运动场地用合成材料面层的冲击吸收性能的相关研究进行了简要的综述，希望对于合成材料面层未来在体育运动场地中的运用研究起到一定的参考作用。

1合成材料面层

有机高分子材料的冲击韧度值通常较高，在吸收冲击能量、降低冲击波振幅、减小冲击破坏等方面具有很大的优势，因此，在较大的冲击载荷下能够起到很好的缓冲和防护作用，在体育运动场地中被广泛运用[1]。聚氨酯材料具有较好的耐候性、抗压强度和平整性，且其冲击吸收性能较好，因此，被用于体育运动场地的铺设中，不仅有较好的体验感，而且还能对运动员起到一定的保护作用，是目前被用于体育场地中较多的合成材料面层[2-4]。合成材料面层的结构为双层结构，分别为底胶层与面胶层，其制备过程中所用的原料大致相同，只在原料的配比和制备方法上有所区别。运动场地建设过程中，合成材料面层运动场地的铺设通常有两种方式，一种是将制备合成材料面层的原料在铺设现场进行混合，然后直接铺于混凝土基层，另一种方式是，将制备好的合成材料面层用粘合剂等粘到混凝土基层上，目前几乎所有的体育跑道均用合成材料面层进行表面铺设。随着技术的不断进步以及研究的不断扩大，各种各样的合成材料面层不断涌现，根据体育场地中铺设的合成材料面层的种类，可以将体育场地细分为全塑型、复合型和混合型三种类型。全塑型的运动场地造价高，但是各项性能均较好，因此被广泛应用于体育赛事中。而其他两种类型的运动场地相对于全塑型的来说性能指标较差，但是其价格低廉、性价比高，因此受到普遍应用。当然任何一种合成材料面层体育场地的使用都要符合一定的铺设标准，必须经过严格的检验，包括其外观、物理性能等各方面的检测，只有各个方面的性能全部达标才能进行使用。在合成材料面层的各项性能中其物理性能至关重要，检测的项目主要有拉伸强度、冲击吸收性能等，而冲击吸收性能是关系到其运用到体育运动场地的关键指标。

2合成材料冲击吸收性能测试方法

2.1试验法测定冲击吸收性能

徐静怡等在南京理工大学的实验室进行了复合材料弹道贯穿测试，对合成材料对位芳族聚酰胺纤维的抗冲击性能进行了研究。该实验观察了受到冲击后对位芳族聚酰胺纤维的破坏情况，对位芳族聚酰胺纤维在受弹击面发生了明显的基体开裂和凹陷，且对位芳族聚酰胺纤维的弹道冲击破坏发生于材料的局部，说明合成材料对位芳族聚酰胺纤维有较好的冲击吸收性能[5]。徐秋月等利用低速冲击测试装置对聚氨酯泡沫等三种缓冲材料进行了低速冲击实验，并进行了静态压缩实验，探索了缓冲材料的抗压缩能力与冲击能量吸收性能之间的关系并得出结论，缓冲材料的压缩性能对材料的冲击吸收性能有一定程度的影响[6]，即具备一定压缩性能的合成材料会其冲击吸收性能会受到影响。这些研究均促进了合成材料在体育运动场地的运用和发展。

2.2数值模拟法测定冲击吸收性能

试验法在材料冲击吸收性能的测定过程中受到很多因素的影响，有一定的局限性，在复杂的力学问题中其应用有较大的困难。1956年，Turner提出了有限元的概念，有限元理论得到迅速的推广和应用。随着计算机技术的发展，以有限元为基础的数值模拟法迅速发展，并逐渐被用于复杂的力学问题方面的研究。练军等通过在合成材料的结构基础上建立有限元模型，研究了合成材料的弹道冲击性能。他们利用Ls-Dyna求解器对相关参数进行计算，得到合成材料受到弹道冲击后的破坏模式图，并与实际弹道冲击后的结果相比较，发现两者的一致性符合要求，确定了有限元模型在合成材料的冲击吸收性能测定过程中精确性较高[7]。国外的研究专家Baroud通过创建现有运行轨迹的三维有限元模型，表征了运动过程中实际载荷作用下合成材料面层运动场地的相关能量[8]。杜梅等[9]通过有限元建模分析研究了空芯材增强复合材料的抗冲击性能，他们分析了纤维体积分数对材料抗冲击性能的影响并得出结论，一般情况下，材料的抗冲击性能与纤维体积分数呈正比的关系。通过该研究我们不难发现，纤维体积分数对于合成材料的冲击吸收性能会产生一定的影响。国外研究者Andena采用数值模拟法，通过开发一种新的三维模型有效地预测了合成材料面层运动场地的冲击吸收系数，通过对比实验对预测结果进行了验证，确定了三维模型对于冲击吸收系数预测的准确性。吴红儒等对合成材料面层运动场地冲击吸收性能进行了研究，他们按照一定的试验规范，测定了复合型和混合型合成材料试样的冲击吸收系数，利用ANSYSWorkbench建立了冲击吸收实验三维数值模型，对上述两种类型的合成材料式样进行了冲击吸收试验数值模拟，验证了数值模型的准确性。并采用数值模拟的方法，对蜂窝状结构的混合型合成材料展开数值模拟，将获得的冲击吸收系数与混合型合成材料进行对比，探究了蜂窝状结构对合成材料冲击吸收系数的影响。通过对比实验，验证了数值模拟法和冲击吸收实验三维数值模型的准确性[10]。实验法和数值模拟法在合成材料冲击吸收性能研究过程中会有一定的局限性，将二者结合起来进行研究的开展工作已经是科研常用的方式，因此，在未来的研究过程中可以采用二者结合的方式进行合成材料冲击吸收性能的研究。

3原料对合成材料面层冲击吸收性能的影响

合成材料的物理化学性能主要由其本身组成的原料决定，不同的合成材料由于其原料种类的不同、原料配比的不同而表现出不同的性能。本节主要介绍原料对合成材料冲击性能的影响研究。Dhakal等研究了大麻纤维对合成材料冲击性能的影响。他们分别对含有不同体积分数大麻纤维的合成材料试件进行了冲击响应实验，并与采用相同体积分数的大麻纤维对同样的材料进行缠绕的试件进行了对比实验，证明了采用大麻纤维作为加固材料，能够提高合成材料的冲击吸收性能[11]。夏艳丽等以硼酸和硅油等为原材料制备了一种高分子材料剪切增稠凝胶，研究了其物理化学性能，他们将该种剪切增稠凝胶通过“浸渍-干燥”的方式与聚氨酯材料进行复合，通过一系列的实验研究了复合材料的抗冲击性能。并与复合前后的聚氨酯材料的抗冲击性能进行对比，证明了在剪切增稠凝胶与聚氨酯材料复合后增强了聚氨酯材料的抗冲击性能[12]。杨昶等采用单因素实验的方法，研究了异氰酸酯、交联剂、泡沫稳定剂、固化剂、锡类催化剂、发泡剂、胺类催化剂等对合成材料冲击性能的影响[13]。他们通过实验证明了，这些原料的加入以及用量的不同会对合成材料的冲击性能产生不同程度的影响。综上，为了改善体育场地合成材料面层的冲击吸收性能，可以通过实验的方法找出合适的原料配比以及添加方式，从而提高运动场地的使用效果。

4结语

体育运动场地合成材料面层的冲击吸收性能关系到运动员的成绩以及人身安全，因此，开展合成材料面层冲击吸收性能的研究具有重要的意义。实验法和数值模拟法对于合成材料冲击吸收性能的研究适用于不同的应用场景，在未来的研究过程中，积极探索两种实验方法，建立数值模型，展开对体育运动场地合成面料层的研究工作，将带来很高的社会价值。

作者:杜逸帆 单位:青岛农业大学