在各行各業(yè)中，復合材料領域通常被譽為減少環(huán)境影響的萬能藥，它通過組件的輕量化降低了能量消耗，并通過引入新的設計空間提高了系統(tǒng)性能。最近在商用飛機上的趨勢表明，效率的顯著提升部分歸因于復合材料的更多使用。在許多方面，體育產業(yè)位于多個行業(yè)的交匯點，從設備和設施的設計，到將成千上萬觀眾安全集結的后勤挑戰(zhàn)，同時將體驗轉播給全球數百萬觀眾。在這個交匯點上，體育涉及到眾多利益相關者，這些利益相關者對整個行業(yè)采取可持續(xù)發(fā)展的方法至關重要，復合材料將發(fā)揮關鍵作用。
圖1 歸因于復合材料的結構總重量百分比
圖2 燃油消耗隨時間變化
現有技術的回顧
在過去的幾十年里，復合材料在體育中的應用大幅增加，這得益于材料更輕、更強、可調性更高的性能。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，當前的材料系統(tǒng)存在未解決的問題，即生產所需的高能耗以及缺乏回收利用的可能性，這導致了在不可持續(xù)的基礎上增長。與汽車和航空航天行業(yè)不同的是，復合材料在體育中的應用并未通過提高操作能效來減少生命周期內的環(huán)境影響。因此，可持續(xù)的體育產品和設備應該關注制造和處置階段。體育行業(yè)通常要求設備具備最高的剛度-重量比，而目前這一需求只能通過連續(xù)碳纖維熱固性復合材料來滿足，但這種材料體系在產品生命周期的開始和結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)性問題主要來自碳纖維的制造過程及熱固性聚合物基體的難以再處理。碳纖維生產中的原材料提取及碳化過程涉及大量的能源消耗。減少環(huán)境影響的努力可以通過減少這些過程步驟的能耗，或設計含有更可持續(xù)的纖維和基體成分的最終產品來實現。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，已經在小規(guī)模的可持續(xù)運動消費者中得到了應用，且生產量較低，但由于碳纖維優(yōu)異的剛度和抗拉強度，這些天然纖維在高性能和大眾市場產品中基本沒有出現。對于這些天然纖維替代品的當前限制已經很清楚，因此在更好的加工、設計和將這些材料整合到高性能消費品中的方面，存在巨大的發(fā)展機會。
圖3 纖維的性能
基于熱固性聚合物基體的復合材料體育產品在纖維成分上的可持續(xù)性問題上也存在類似的擔憂，迄今為止，這些產品所需的優(yōu)異性能特性已經超越了處置過程中的環(huán)境影響。熱固性材料的成分使得用傳統(tǒng)的機械回收方法回收產品變得困難，充其量也只能降級再利用為其他工業(yè)產品的填充材料。熱回收和化學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)模化方面仍存在挑戰(zhàn)，并且經常伴隨著巨大的環(huán)境成本，如高能耗或危險化學品的使用。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，但它也為最終產品的設計、制造和性能能力帶來了新的挑戰(zhàn)。除了模具設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了高能耗，從而對整體的可持續(xù)性產生負面影響。因此，更好地理解這些材料的特性和設計，是創(chuàng)造新解決方案的必要條件。
雖然一些有前景的技術已經開始出現，但由于性能讓步和缺乏有利的商業(yè)環(huán)境，各行業(yè)中有機開發(fā)和實施可持續(xù)復合材料的進展仍然有限。因此，一些機構轉向了通過監(jiān)管壓力來推動發(fā)展，例如即將出臺的汽車法規(guī)中的回收材料設計和使用要求。在體育行業(yè)，各項體育項目的國家和國際聯合會可以通過設備的技術法規(guī)施加這些壓力。盡管每個聯合會的直接影響通常僅限于最高級別的賽事，但制造商通常在所有賽事層級中遵守這些規(guī)定，以確保所有參與者獲得一致的體驗。這一立場為聯合會與設備制造商之間建立了緊密的工作關系，并為集體努力奠定了基礎，以建立可持續(xù)設備設計和生產的法規(guī)。通過適當的激勵和合作結構，體育不僅有機會實施可持續(xù)復合材料，還可以為技術的基本發(fā)展做出貢獻。傳統(tǒng)上，體育行業(yè)在將其他行業(yè)的創(chuàng)新和新技術引入其產品中非常成功。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，生產者和消費者更愿意接受創(chuàng)新及其帶來的風險，以追求性能。這種關系允許行業(yè)在更少的監(jiān)管下，在一個要求苛刻的環(huán)境中展示未經驗證的技術，同時讓體育公司以大幅減少的開發(fā)成本實現新技術的商業(yè)化，從而使產品保持對消費者的可負擔性。盡管這種關系在推動體育內外的技術進步方面碩果累累，但它要求體育產業(yè)等待其他行業(yè)在基礎技術創(chuàng)新上的突破。可持續(xù)復合材料為逆轉這種關系提供了機會，使體育能夠引領基礎技術的發(fā)展。體育為工程挑戰(zhàn)提供了一個獨特的環(huán)境，平衡了制造能力、規(guī)模化、成本效率，最重要的是性能。通過適當的壓力實施可持續(xù)解決方案，滿足這些挑戰(zhàn)將推動新材料系統(tǒng)的開發(fā)，這些系統(tǒng)具備對所有行業(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
與任何大型工程挑戰(zhàn)一樣，沒有一種方法適合所有情況，只有通過迭代和漸進式進展才能帶來顯著變化。由于運動項目的多樣性以及運動員日益?zhèn)€性化的需求，提供了一個廣闊的環(huán)境來探索各種可能性，一個領域不適合的解決方案可能在另一個領域取得成功。通過充分利用體育行業(yè)較短的實施周期，企業(yè)和研究人員能夠迅速采取漸進步驟，并在整個價值鏈中獲得直接反饋。這些漸進的步驟可能會收斂成一個單一的解決方案，或分化成許多新的方法，但無論個別結果如何，對該領域的集體理解都將為其他行業(yè)的進一步實施提供巨大幫助。
復合材料在體育設備中的作用將繼續(xù)擴大，毫無疑問，目前產品的性能需求已經超越了其可持續(xù)性特征。一些新興技術在解決現有碳纖維-熱固性材料體系的局限性方面提供了希望，但仍未找到與現有產品的性能特征和經濟可行性相匹配的綜合解決方案。在缺乏明確商業(yè)優(yōu)勢的情況下，消費者對可持續(xù)性的品味往往變化無常，有效的發(fā)展模式只能通過聯合會、設備制造商和研究機構的聯合協議、投資和能力來實現。面對如此復雜的問題，實施應集中于基礎技術的快速開發(fā)周期，這一環(huán)境非常適合體育行業(yè)的動態(tài)特性。鑒于體育與世界的可見性、興奮性和情感聯系，讓我們以這種方式作為一個示范模型，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