在各行各業(yè)中，復(fù)合材料領(lǐng)域通常被譽(yù)為減少環(huán)境影響的萬(wàn)能藥，它通過(guò)組件的輕量化降低了能量消耗，并通過(guò)引入新的設(shè)計(jì)空間提高了系統(tǒng)性能。最近在商用飛機(jī)上的趨勢(shì)表明，效率的顯著提升部分歸因于復(fù)合材料的更多使用。在許多方面，體育產(chǎn)業(yè)位于多個(gè)行業(yè)的交匯點(diǎn)，從設(shè)備和設(shè)施的設(shè)計(jì)，到將成千上萬(wàn)觀眾安全集結(jié)的后勤挑戰(zhàn)，同時(shí)將體驗(yàn)轉(zhuǎn)播給全球數(shù)百萬(wàn)觀眾。在這個(gè)交匯點(diǎn)上，體育涉及到眾多利益相關(guān)者，這些利益相關(guān)者對(duì)整個(gè)行業(yè)采取可持續(xù)發(fā)展的方法至關(guān)重要，復(fù)合材料將發(fā)揮關(guān)鍵作用。
圖1 歸因于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)總重量百分比
圖2 燃油消耗隨時(shí)間變化
現(xiàn)有技術(shù)的回顧
在過(guò)去的幾十年里，復(fù)合材料在體育中的應(yīng)用大幅增加，這得益于材料更輕、更強(qiáng)、可調(diào)性更高的性能。類似地，其他行業(yè)的制造工藝創(chuàng)新降低了成本，使性能變得更加普及。然而，當(dāng)前的材料系統(tǒng)存在未解決的問(wèn)題，即生產(chǎn)所需的高能耗以及缺乏回收利用的可能性，這導(dǎo)致了在不可持續(xù)的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)。與汽車和航空航天行業(yè)不同的是，復(fù)合材料在體育中的應(yīng)用并未通過(guò)提高操作能效來(lái)減少生命周期內(nèi)的環(huán)境影響。因此，可持續(xù)的體育產(chǎn)品和設(shè)備應(yīng)該關(guān)注制造和處置階段。體育行業(yè)通常要求設(shè)備具備最高的剛度-重量比，而目前這一需求只能通過(guò)連續(xù)碳纖維熱固性復(fù)合材料來(lái)滿足，但這種材料體系在產(chǎn)品生命周期的開(kāi)始和結(jié)束階段存在尚未解決的挑戰(zhàn)。這一材料系統(tǒng)的可持續(xù)性問(wèn)題主要來(lái)自碳纖維的制造過(guò)程及熱固性聚合物基體的難以再處理。碳纖維生產(chǎn)中的原材料提取及碳化過(guò)程涉及大量的能源消耗。減少環(huán)境影響的努力可以通過(guò)減少這些過(guò)程步驟的能耗，或設(shè)計(jì)含有更可持續(xù)的纖維和基體成分的最終產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管前一種方法有利于所有使用碳纖維的行業(yè)，但體育行業(yè)則有潛力專注于開(kāi)發(fā)后一種方法。天然纖維的使用，如亞麻、大麻或椰殼纖維，已經(jīng)在小規(guī)模的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)消費(fèi)者中得到了應(yīng)用，且生產(chǎn)量較低，但由于碳纖維優(yōu)異的剛度和抗拉強(qiáng)度，這些天然纖維在高性能和大眾市場(chǎng)產(chǎn)品中基本沒(méi)有出現(xiàn)。對(duì)于這些天然纖維替代品的當(dāng)前限制已經(jīng)很清楚，因此在更好的加工、設(shè)計(jì)和將這些材料整合到高性能消費(fèi)品中的方面，存在巨大的發(fā)展機(jī)會(huì)。
圖3 纖維的性能
基于熱固性聚合物基體的復(fù)合材料體育產(chǎn)品在纖維成分上的可持續(xù)性問(wèn)題上也存在類似的擔(dān)憂，迄今為止，這些產(chǎn)品所需的優(yōu)異性能特性已經(jīng)超越了處置過(guò)程中的環(huán)境影響。熱固性材料的成分使得用傳統(tǒng)的機(jī)械回收方法回收產(chǎn)品變得困難，充其量也只能降級(jí)再利用為其他工業(yè)產(chǎn)品的填充材料。熱回收和化學(xué)回收方法為材料回收提供了希望，且性能退化有限，但在規(guī)?；矫嫒源嬖谔魬?zhàn)，并且經(jīng)常伴隨著巨大的環(huán)境成本，如高能耗或危險(xiǎn)化學(xué)品的使用。由于熱塑性聚合物具備良好的可回收性，它可以解決許多熱固性材料在生命周期末端的局限性，但它也為最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和性能能力帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。除了模具設(shè)備和工具的高資本成本外，熱塑性材料所需的加工溫度也帶來(lái)了高能耗，從而對(duì)整體的可持續(xù)性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，更好地理解這些材料的特性和設(shè)計(jì)，是創(chuàng)造新解決方案的必要條件。
雖然一些有前景的技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)，但由于性能讓步和缺乏有利的商業(yè)環(huán)境，各行業(yè)中有機(jī)開(kāi)發(fā)和實(shí)施可持續(xù)復(fù)合材料的進(jìn)展仍然有限。因此，一些機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向了通過(guò)監(jiān)管壓力來(lái)推動(dòng)發(fā)展，例如即將出臺(tái)的汽車法規(guī)中的回收材料設(shè)計(jì)和使用要求。在體育行業(yè)，各項(xiàng)體育項(xiàng)目的國(guó)家和國(guó)際聯(lián)合會(huì)可以通過(guò)設(shè)備的技術(shù)法規(guī)施加這些壓力。盡管每個(gè)聯(lián)合會(huì)的直接影響通常僅限于最高級(jí)別的賽事，但制造商通常在所有賽事層級(jí)中遵守這些規(guī)定，以確保所有參與者獲得一致的體驗(yàn)。這一立場(chǎng)為聯(lián)合會(huì)與設(shè)備制造商之間建立了緊密的工作關(guān)系，并為集體努力奠定了基礎(chǔ)，以建立可持續(xù)設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的法規(guī)。通過(guò)適當(dāng)?shù)募?lì)和合作結(jié)構(gòu)，體育不僅有機(jī)會(huì)實(shí)施可持續(xù)復(fù)合材料，還可以為技術(shù)的基本發(fā)展做出貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)上，體育行業(yè)在將其他行業(yè)的創(chuàng)新和新技術(shù)引入其產(chǎn)品中非常成功。與航空航天和汽車行業(yè)相比，體育行業(yè)往往受到的慣性較小，生產(chǎn)者和消費(fèi)者更愿意接受創(chuàng)新及其帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，以追求性能。這種關(guān)系允許行業(yè)在更少的監(jiān)管下，在一個(gè)要求苛刻的環(huán)境中展示未經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，同時(shí)讓體育公司以大幅減少的開(kāi)發(fā)成本實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的商業(yè)化，從而使產(chǎn)品保持對(duì)消費(fèi)者的可負(fù)擔(dān)性。盡管這種關(guān)系在推動(dòng)體育內(nèi)外的技術(shù)進(jìn)步方面碩果累累，但它要求體育產(chǎn)業(yè)等待其他行業(yè)在基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新上的突破。可持續(xù)復(fù)合材料為逆轉(zhuǎn)這種關(guān)系提供了機(jī)會(huì)，使體育能夠引領(lǐng)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。體育為工程挑戰(zhàn)提供了一個(gè)獨(dú)特的環(huán)境，平衡了制造能力、規(guī)?；?、成本效率，最重要的是性能。通過(guò)適當(dāng)?shù)膲毫?shí)施可持續(xù)解決方案，滿足這些挑戰(zhàn)將推動(dòng)新材料系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，這些系統(tǒng)具備對(duì)所有行業(yè)都有利的特性。
圖4 體育行業(yè)成功地采用了其他行業(yè)的創(chuàng)新和新技術(shù)
與任何大型工程挑戰(zhàn)一樣，沒(méi)有一種方法適合所有情況，只有通過(guò)迭代和漸進(jìn)式進(jìn)展才能帶來(lái)顯著變化。由于運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的多樣性以及運(yùn)動(dòng)員日益?zhèn)€性化的需求，提供了一個(gè)廣闊的環(huán)境來(lái)探索各種可能性，一個(gè)領(lǐng)域不適合的解決方案可能在另一個(gè)領(lǐng)域取得成功。通過(guò)充分利用體育行業(yè)較短的實(shí)施周期，企業(yè)和研究人員能夠迅速采取漸進(jìn)步驟，并在整個(gè)價(jià)值鏈中獲得直接反饋。這些漸進(jìn)的步驟可能會(huì)收斂成一個(gè)單一的解決方案，或分化成許多新的方法，但無(wú)論個(gè)別結(jié)果如何，對(duì)該領(lǐng)域的集體理解都將為其他行業(yè)的進(jìn)一步實(shí)施提供巨大幫助。
復(fù)合材料在體育設(shè)備中的作用將繼續(xù)擴(kuò)大，毫無(wú)疑問(wèn)，目前產(chǎn)品的性能需求已經(jīng)超越了其可持續(xù)性特征。一些新興技術(shù)在解決現(xiàn)有碳纖維-熱固性材料體系的局限性方面提供了希望，但仍未找到與現(xiàn)有產(chǎn)品的性能特征和經(jīng)濟(jì)可行性相匹配的綜合解決方案。在缺乏明確商業(yè)優(yōu)勢(shì)的情況下，消費(fèi)者對(duì)可持續(xù)性的品味往往變化無(wú)常，有效的發(fā)展模式只能通過(guò)聯(lián)合會(huì)、設(shè)備制造商和研究機(jī)構(gòu)的聯(lián)合協(xié)議、投資和能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。面對(duì)如此復(fù)雜的問(wèn)題，實(shí)施應(yīng)集中于基礎(chǔ)技術(shù)的快速開(kāi)發(fā)周期，這一環(huán)境非常適合體育行業(yè)的動(dòng)態(tài)特性。鑒于體育與世界的可見(jiàn)性、興奮性和情感聯(lián)系，讓我們以這種方式作為一個(gè)示范模型，向其他行業(yè)展示可能的方向。1. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.04.0062. https://theicct.org/publication/fuel-efficiency-trends-for-new commercial-jet-aircraft-1960-to-2014/3. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.07.0244. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2013.02.009