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这些装备材料的“小心机” 或带来冬奥比赛成绩的“大突破”

2022-01-20 11:03:10
来源:科技日报 作者:何亮 评论:0

      体育竞技不光是力量的比拼,更是科学与技术的较量。这种较量尤其体现在冬奥会的冰雪竞速项目上。

      “滑冰驭雪”都需要装备的加持,小到冰刀、头盔,大到钢架雪车、雪橇,每个装备的小小突破,都可能对比赛成绩产生颠覆式影响。而每个装备的“小突破”,都在于其背后深入的科学研究和新材料的应用。

      碳纤维材料头盔实力保护雪车运动员

      头盔在冰上竞速项目中随处可见,因为冰雪运动速度快、冲击力强,头盔的作用是保护运动员安全,并且在此基础上,做到气动减阻。

      冬奥会的雪车项目是速度最快且观赏性极强的项目,被称为“雪上F1”。雪车滑行最高时速可达160公里左右,风驰电掣的高速行驶使胜负常在毫秒之间。因而,雪车头盔成为运动员的重要防护装备,同时也是优化阻力的关键。

      东莞理工学院体育工程与运动康复科研团队副教授李楠告诉科技日报记者,在材料的使用上,国内自主研发的雪车头盔采用强度高、防撞性能优异的中国航天T800碳纤维材料制成。T800碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型材料。由于材料经过碳化及石墨化处理,因此具备密度小、强度高等优点,根据相关资料,碳纤维材料的密度比铝还要低,但是强度却比钢铁还要大。

      李楠表示,用T800碳纤维材料制成的头盔,重量仅约1.1千克,比之前国家队使用的头盔减少了500克,有效地为运动员减少了负重。在减重的同时,头盔内部材料缓冲层还采用了3D打印点阵结构,可以抵御头盔在遇到碰撞时的各种冲击力,更好地保护运动员的头部。“依靠我们的核心技术,国产雪车头盔的硬度比美国标准增强了50%多。”李楠说。

      复合材料涂层降低冰刀滑行摩擦力、增大抓冰力

      专业冰鞋的冰刀由两层钢构成,上面是具有一定弹性的软钢,下面是硬钢,两层钢经研磨和磨锋后,形成高硬度、低粗糙度的刀刃,从而在不降低冰刀韧性的情况下,大大提高刀刃的寿命,减小了冰刀与冰之间的摩擦力,提高了滑行速度。

      负责为运动员进行减阻设计实验的清华大学机械系主任汪家道告诉科技日报记者,一款好的冰刀,滑行时前进方向的摩擦力要小,侧向蹬踩冰面时摩擦力要大,才能增加运动员的滑行速度。汪家道团队对冰刀进行了创新设计,在原有冰刀的基础上进行了增强处理,即在冰刀表面涂上薄薄的复合材料涂层,使冰刀两侧硬度增强,降低滑行摩擦力,提高耐磨损能力,增大抓冰力。试验数据显示,增强处理后,冰刀侧面硬度增强19%,前进方向摩擦力降低16%—22%,侧向蹬踏摩擦力增强超过30%,由此实现了增速减阻的目的。

      据了解,目前改进后的冰刀设备正在国家集训队应用测试,服务北京冬奥会运动员备战比赛。

      特制薄膜让滑雪板拥有“自带打蜡”功能

      越野滑雪项目的基础设备是雪板与雪杖,雪板用于竞速,雪杖辅助控制。除此之外,运动员参加项目还有一个看似微不足道实则至关重要的环节——打蜡。

      雪板是一个复杂结构,一般由板底、板刃、复合层、板面组成。雪板底层是一层聚合物材料做成的膜,在雪板底层膜上打蜡,蜡与雪直接接触,会降低雪板整体的摩擦力,从而实现速度的提升。

      “打蜡的流程与原理是,将蜡体打到雪板板底的膜上,然后蜡会浸入膜内,由此起到润滑效果。”汪家道团队由此提出了一个颇具颠覆性地想法:为什么不研制一个“自带打蜡功能”的雪板呢?

      于是,他们将润滑蜡做成微纳米颗粒,然后将其与板底聚合物材料混合、烧结、挤压成薄膜,以此替代滑雪板原有的底膜。

      “这个膜的好处显而易见,蜡融铸其中,在运动员滑雪过程中,润滑蜡会不停释放出来。”汪家道告诉记者,在制作该薄膜时,蜡的使用量可随意调整,这是原来依靠打蜡浸润的方式所无法实现的。“这就好比将需要不停更换子弹的武器变为无需填充弹药的武器一样,在15公里、30公里等越野滑雪项目上,‘自带打蜡功能’的滑雪板优势明显。”汪家道说。

      要实现上述功能的一个关键技术是使用什么蜡,且如何使其改性。清华大学与中国科学院兰州化学物理研究所合作,选定市场上的蜡后,再针对冰雪表面需要对其进行疏水改性,制作出特有的润滑蜡微纳米颗粒。汪家道表示,与传统雪蜡生产商SWIX(挪威享誉世界的户外运动品牌)的产品相比,改性后的新型蜡不受“打蜡”局限,选择范围更广泛。

(责任编辑:韩梦晨)

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