在各行各业中，复合材料领域通常被誉为减少环境影响的万能药，它通过组件的轻量化降低了能量消耗，并通过引入新的设计空间提高了系统性能。最近在商用飞机上的趋势表明，效率的显著提升部分归因于复合材料的更多使用。在许多方面，体育产业位于多个行业的交汇点，从设备和设施的设计，到将成千上万观众安全集结的后勤挑战，同时将体验转播给全球数百万观众。在这个交汇点上，体育涉及到众多利益相关者，这些利益相关者对整个行业采取可持续发展的方法至关重要，复合材料将发挥关键作用。
图1 归因于复合材料的结构总重量百分比
图2 燃油消耗随时间变化
现有技术的回顾
在过去的几十年里，复合材料在体育中的应用大幅增加，这得益于材料更轻、更强、可调性更高的性能。类似地，其他行业的制造工艺创新降低了成本，使性能变得更加普及。然而，当前的材料系统存在未解决的问题，即生产所需的高能耗以及缺乏回收利用的可能性，这导致了在不可持续的基础上增长。与汽车和航空航天行业不同的是，复合材料在体育中的应用并未通过提高操作能效来减少生命周期内的环境影响。因此，可持续的体育产品和设备应该关注制造和处置阶段。体育行业通常要求设备具备最高的刚度-重量比，而目前这一需求只能通过连续碳纤维热固性复合材料来满足，但这种材料体系在产品生命周期的开始和结束阶段存在尚未解决的挑战。这一材料系统的可持续性问题主要来自碳纤维的制造过程及热固性聚合物基体的难以再处理。碳纤维生产中的原材料提取及碳化过程涉及大量的能源消耗。减少环境影响的努力可以通过减少这些过程步骤的能耗，或设计含有更可持续的纤维和基体成分的最终产品来实现。尽管前一种方法有利于所有使用碳纤维的行业，但体育行业则有潜力专注于开发后一种方法。天然纤维的使用，如亚麻、大麻或椰壳纤维，已经在小规模的可持续运动消费者中得到了应用，且生产量较低，但由于碳纤维优异的刚度和抗拉强度，这些天然纤维在高性能和大众市场产品中基本没有出现。对于这些天然纤维替代品的当前限制已经很清楚，因此在更好的加工、设计和将这些材料整合到高性能消费品中的方面，存在巨大的发展机会。
图3 纤维的性能
基于热固性聚合物基体的复合材料体育产品在纤维成分上的可持续性问题上也存在类似的担忧，迄今为止，这些产品所需的优异性能特性已经超越了处置过程中的环境影响。热固性材料的成分使得用传统的机械回收方法回收产品变得困难，充其量也只能降级再利用为其他工业产品的填充材料。热回收和化学回收方法为材料回收提供了希望，且性能退化有限，但在规模化方面仍存在挑战，并且经常伴随着巨大的环境成本，如高能耗或危险化学品的使用。由于热塑性聚合物具备良好的可回收性，它可以解决许多热固性材料在生命周期末端的局限性，但它也为最终产品的设计、制造和性能能力带来了新的挑战。除了模具设备和工具的高资本成本外，热塑性材料所需的加工温度也带来了高能耗，从而对整体的可持续性产生负面影响。因此，更好地理解这些材料的特性和设计，是创造新解决方案的必要条件。
虽然一些有前景的技术已经开始出现，但由于性能让步和缺乏有利的商业环境，各行业中有机开发和实施可持续复合材料的进展仍然有限。因此，一些机构转向了通过监管压力来推动发展，例如即将出台的汽车法规中的回收材料设计和使用要求。在体育行业，各项体育项目的国家和国际联合会可以通过设备的技术法规施加这些压力。尽管每个联合会的直接影响通常仅限于最高级别的赛事，但制造商通常在所有赛事层级中遵守这些规定，以确保所有参与者获得一致的体验。这一立场为联合会与设备制造商之间建立了紧密的工作关系，并为集体努力奠定了基础，以建立可持续设备设计和生产的法规。通过适当的激励和合作结构，体育不仅有机会实施可持续复合材料，还可以为技术的基本发展做出贡献。传统上，体育行业在将其他行业的创新和新技术引入其产品中非常成功。与航空航天和汽车行业相比，体育行业往往受到的惯性较小，生产者和消费者更愿意接受创新及其带来的风险，以追求性能。这种关系允许行业在更少的监管下，在一个要求苛刻的环境中展示未经验证的技术，同时让体育公司以大幅减少的开发成本实现新技术的商业化，从而使产品保持对消费者的可负担性。尽管这种关系在推动体育内外的技术进步方面硕果累累，但它要求体育产业等待其他行业在基础技术创新上的突破。可持续复合材料为逆转这种关系提供了机会，使体育能够引领基础技术的发展。体育为工程挑战提供了一个独特的环境，平衡了制造能力、规模化、成本效率，最重要的是性能。通过适当的压力实施可持续解决方案，满足这些挑战将推动新材料系统的开发，这些系统具备对所有行业都有利的特性。
图4 体育行业成功地采用了其他行业的创新和新技术
与任何大型工程挑战一样，没有一种方法适合所有情况，只有通过迭代和渐进式进展才能带来显著变化。由于运动项目的多样性以及运动员日益个性化的需求，提供了一个广阔的环境来探索各种可能性，一个领域不适合的解决方案可能在另一个领域取得成功。通过充分利用体育行业较短的实施周期，企业和研究人员能够迅速采取渐进步骤，并在整个价值链中获得直接反馈。这些渐进的步骤可能会收敛成一个单一的解决方案，或分化成许多新的方法，但无论个别结果如何，对该领域的集体理解都将为其他行业的进一步实施提供巨大帮助。
复合材料在体育设备中的作用将继续扩大，毫无疑问，目前产品的性能需求已经超越了其可持续性特征。一些新兴技术在解决现有碳纤维-热固性材料体系的局限性方面提供了希望，但仍未找到与现有产品的性能特征和经济可行性相匹配的综合解决方案。在缺乏明确商业优势的情况下，消费者对可持续性的品味往往变化无常，有效的发展模式只能通过联合会、设备制造商和研究机构的联合协议、投资和能力来实现。面对如此复杂的问题，实施应集中于基础技术的快速开发周期，这一环境非常适合体育行业的动态特性。鉴于体育与世界的可见性、兴奋性和情感联系，让我们以这种方式作为一个示范模型，向其他行业展示可能的方向。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