轻量化复合材料在鞋类结构设计中的创新应用策略

摘要：摘要：研究聚焦轻量化复合材料在鞋类结构设计中的创新应用，通过材料性能分析与案例研究相结合的方法，系统探讨了碳纤维、玻璃纤维等轻量化复合材料在鞋面、鞋底、鞋垫及支撑结构中的设计策略。研究首先分析了轻量化复合材料的高强度、低密度特性及其对人体工学性能的提升作用，

轻量化复合材料在鞋类结构设计中的创新应用策略

童国磊

（桐庐旭日鞋业有限公司，浙江杭州 310000）

摘要：研究聚焦轻量化复合材料在鞋类结构设计中的创新应用，通过材料性能分析与案例研究相结合的方法，系统探讨了碳纤维、玻璃纤维等轻量化复合材料在鞋面、鞋底、鞋垫及支撑结构中的设计策略。研究首先分析了轻量化复合材料的高强度、低密度特性及其对人体工学性能的提升作用，随后结合安踏氢跑3.0、李宁超轻21等典型案例，验证了该类材料在减轻鞋重、增强支撑性和透气性方面的显著效果。研究表明，轻量化复合材料的应用不仅推动了鞋类产品的性能革新，还为行业的可持续发展提供了技术支撑，未来需进一步优化材料适配性与标准化生产流程。

关键词：轻量化复合材料；鞋类结构设计；碳纤维；人体工学；减震性能；可持续设计

Innovative Application Strategies of Lightweight Composite Materials in Footwear Structural Design

TONG Guolei

(Tonglu Rising Sun Shoes Co., Ltd, Hangzhou 310000, China)

Abstract: This study focuses on the innovative application of lightweight composite materials in footwear structural design, employing material performance analysis and case studies to systematically explore design strategies for carbon fiber, glass fiber, and other lightweight composites in uppers, soles, insoles, and support structures. The research first examines the high strength-to-weight ratio and ergonomic benefits of these materials, then validates their effectiveness in reducing shoe weight, enhancing support, and improving breathability through case studies such as AntaHydrogen Run 3.0 and Li-Ning Ultra Light 21. Findings indicate that lightweight composites not only drive performance innovation in footwear but also support industry sustainability. Future efforts should focus on optimizing material compatibility and standardizing production processes.

Keywords: lightweight composite materials; footwear structural design; carbon fiber; ergonomics; shock absorption; sustainable design

作者简介：童国磊（1984－），男，职务总经理，研究方向为优化生产胶地布面运动鞋。

0 引言

随着经济社会的发展，消费者对鞋类产品的性能要求持续提升，主要体现在功能性、舒适性、耐用性等方面，鞋类设计创新面临严峻的挑战。在传统的鞋类设计中，鞋的重量、舒适度常受到材料的限制，轻量化复合材料的出现为鞋类设计领域的发展创造了全新的契机。该类材料具有优异的抗疲劳性和耐磨性，被应用于各类高性能产品中。推动轻量化复合材料在鞋类结构设计中的创新应用，对于推动鞋类行业的转型与升级具有重要意义。

1 鞋类结构设计的全新诉求

1.1 舒适性与人体工学要求

舒适性是鞋类设计最为基本也是最为重要的诉求之一，伴随消费者生活质量的提升，舒适性成为鞋类产品的核心竞争力。在鞋类结构设计中，人体工程学的引入为舒适性设计提供了科学依据，现代鞋类设计需结合人的脚型、步态等生物学特征来调整设计。譬如，鞋跟的高度和宽度、鞋内跟的弯曲度等，相关参数都需进行精确计算。此外，鞋的外形设计应符合人体自然运动的需求，减少穿着时产生的摩擦、压力和不适感。值得注意的是，在鞋类结构设计中，不仅要注重外观的设计，也需兼顾鞋品的功能[1-2]。

1.2 轻量化设计需求

随着运动需求的多样化发展，鞋类的轻量化设计需求日益突出，尤其是在登山鞋、运动鞋等类型的鞋品中，鞋子的轻便性成为用户购买中参考的重要因素。科学的轻量化设计能够降低运动过程中的脚部负担，有效优化用户的体验。轻量化设计的实现，依赖于材料的革新和结构的优化，传统的鞋类材料，如橡胶和皮革，这类材料的耐久性较为优异，但整体重量比较大，运动性能受到限制。新型轻量化材料，与前者相比，具有优异的强度重量比，逐渐成为现代鞋类设计中的核心材料，有利于实现更为轻便的设计目标，逐渐成为鞋品结构设计中的关键理念。

1.3 可持续发展材料

新时代下，经济社会进入全新的历史发展阶段，人民的环保意识日益加强，绿色环保成为鞋类设计中考虑的重要因素。消费者倾向于选择生产和使用对环境友好的产品。但传统的鞋类材料在生产和使用过程中，会排放大量的有害物质，也会危及用户的人身健康。复合材料的出现为鞋类生产提供了技术支持，该类材料在环保方面具有显著优势，生产技术人员可选择可回收、可降解的材料，鞋品生产过程对生态环境的负面影响比较小，可有效降低能耗，减少生产废料，为行业提供更为绿色环保的设计方案。

2 轻量化复合材料的创新应用方案

2.1 鞋面设计

鞋面是鞋类结构中的关键构成，结合鞋品设计工作中来看，支撑性、舒适性、透气性是设计工作中需要着重考虑的几项因素。碳纤维增强复合材料是轻量化复合材料中的代表，以碳纤维增强聚合物为例，碳纤维的拉伸强度通常在3500~6000 MPa范围内，杨氏模量高达200~800 GPa，而密度仅为1.6~2.0 g/cm3，一般应用于高性能运动鞋和专业鞋类中[3]。譬如，可在鞋面嵌入纤维网络结构，用以提升鞋面的支撑性和稳定性，还可以保持良好的柔韧性。其次，可将轻质织物与弹性聚合物进行聚合，有效提升鞋面的适应性和舒适性，这类聚合物的柔韧性较为优异，可在脚部运动时提供更好的适应性，适用于日常穿着。此外，可推动纳米材料和鞋面复合材料的结合，保障鞋品的防水性和抗菌性，对于提升鞋品的整体品质具有关键作用。安踏氢跑3.0设计中，鞋面由织布+PP膜构成，鞋面采用大网眼，保证了鞋面的强度和透气性，鞋头上有很多透气孔，鞋头部分针织密度比较高，鞋面中部有条形镂空，也是提高透气性的关键所在。同时，采用易去污科技，方便清洁，如图1所示。

图1 安踏氢跑3.0鞋面设计①

2.2 鞋底设计

鞋底也是鞋品舒适性、耐久性的主要影响因素，推进轻量化复合材料的应用，可大幅减轻鞋品的重量，提升鞋品的穿着舒适性。在鞋底的设计过程中，需注重耐磨性和减震性能，适应高强度、长时间的使用，尤其是运动鞋和工作鞋。结合鞋品的设计工作来看，热塑性聚氨酯可与泡沫材料进行结合，可在保证鞋底舒适性的基础上，保持较轻的重量，同时，可提供不同的硬度和弹性区，结合运动需求调整减震效果。其次，将气囊技术与复合材料进行结合，鞋类气囊技术可以使运动鞋的地面反作用力（GRF）减少约20%~30%，可有效分散步态中的冲击力，减轻膝盖和脊柱的压力，满足不同运动场合的减震需求[4]。在李宁超轻21跑步鞋设计中，鞋身采用丝材质，鞋底采用GCR材质，与普通橡胶相比，重量轻15%，湿止滑性提高25%，并采用双层复合材料，外层耐磨，内层柔软，一方面保证了鞋底的耐用性，另一方面也提高了鞋底的抓地力，如图2所示。

图2 李宁超轻21跑步鞋鞋底设计②

2.3 鞋垫设计

鞋垫是鞋类设计中直接与脚底接触的部分，不仅直接影响到鞋品的舒适性和支撑性，对于鞋品的抗菌性也提出了更高的要求。合理应用轻量化复合材料，可提供更为舒适的穿着体验。记忆棉与热塑性聚氨酯结合形成的复合材料，能够结合脚部形状进行自适应调整，鞋垫的使用寿命进一步延长，可在保持较轻重量的同时，提供良好的支撑性。同时，泡沫材料可与空气垫技术进行结合，在用户的运动过程中有效分散压力，减缓冲击力。此外，天然纤维也可与复合材料结合，如麻纤维、竹纤维等，这类纤维材料具有一定的天然抗菌性和透气性，在鞋垫设计中的应用较为广泛，竹纤维产品在经过30次水洗后，抗菌性能依然能够维持在90%以上，加强对该类材料的应用也是提升鞋垫舒适性和抗菌性的有效措施[5]。部分鞋品的鞋垫结合了天然纤维（如竹纤维）与复合材料（如聚氨酯泡沫）的优势，不仅轻便且具备良好的透气性，还能够吸收脚部汗液，保持脚部干爽。在气流渗透率测试中，天然纤维复合材料鞋垫的透气性比传统鞋垫提升了40%，可有效减少长时间穿戴而产生的异味，在市场中得到了广泛好评。

2.4 内衬与支撑结构设计

内衬与支撑结构的选用对于鞋品品质具有重要影响，在高性能运动鞋和专业鞋类设计中，支撑结构的作用更为重要。内衬与支撑材料的选用不仅要具有一定的支撑性，也须具备良好的透气性，缓解脚部疲劳，保持脚部干爽。结合鞋品设计工作中来看，热塑性聚氨酯与织物复合内衬的应用较为广泛，这类材料结合了柔软的织物材料，内衬结构的稳定性和耐久性大幅提升。此外，碳纤维支撑结构的应用也较为广泛，这类结构可在需要强化支撑的区域，如脚踝、足弓等部位，实现进一步强化，因此在鞋品设计中应用广泛。在李宁CF溯行川户外鞋的设计中，侧向稳定支撑采用TPU膜支架架构，鞋面则采用鞋面束紧稳定系统，全方位立体保护，整体脚感轻弹，如图3所示。

图3 李宁CF溯行川户外鞋内衬与支撑结构设计③

3 轻量化复合材料的应用策略

3.1 合理选用轻量化复合材料

轻量化复合材料一般由两类或两类以上的不同材料构成，具有突出的力学性能。结合该类材料的应用来看，包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、天然纤维复合材料等多种类型，相关材料的耐久性优异，强度有着一定的保证，且质量较轻，符合现代鞋类产品的设计需求。碳纤维复合材料可应用运动鞋和跑步鞋的鞋底和鞋面，适用于低重量、高强度的鞋类产品设计。玻璃纤维具有良好的耐磨性和抗拉强度，也是轻量化鞋类设计中的常用复合材料，在鞋底的加固设计中应用广泛。在选择轻量化复合材料时，设计人员需发挥自身的能动性，综合考虑不同人群的需求，从强度、耐久性、舒适性、成本等多项因素进行全面考量，合理选用轻量化复合材料[6]。

3.2 改进鞋品生产工艺

轻量化复合材料的应用与生产工艺紧密相关，推进鞋品生产工艺的优化，一方面可提升鞋品的生产品质，另一方面也可大幅提高生产效率。但随着轻量化复合材料的引入，传统的鞋品生产工艺面临诸多的挑战。与传统的材料相比，轻量化复合材料的内部结构更为复杂，在后续的生产过程中，对于工艺设备的精度的要求更高。为满足该类材料的加工需求，生产行业需加大设备的投入力度，采购更为先进的自动化生产线，加强对工艺细节的把控。譬如，选用高精度的数字化控制系统，完成材料的切割、成型、粘接等工作，以粘接工作为例，可采用高强度的粘合剂，并选用合理的固化工艺，如热压、紫外线固化等，保证各层复合材料的牢固粘接，有利于确保产品质量的一致性[7]。

3.3 深入推进产业链协同

在轻量化复合材料的应用过程中，原材料供应商的选择与合作尤为重要。为此，需积极推动产业链协同，通过与复合材料供应商的技术合作，设计人员可获取最新的材料信息和新型材料，推进鞋品设计方案的优化，加速产品的市场化。同时，还可与供应商共同制定质量标准与检测流程，保证轻量化复合材料的质量符合设计要求，规避不必要的返工与废品。其次，推进行业标准的完善与优化，制定轻量化鞋类产品的设计规范，囊括舒适性要求、材料选择、结构优化等多个方面的标准，保证设计的科学性和可行性。为促进行业的可持续发展，需建立针对轻量化复合材料应用的环保标准，为绿色生产和可持续设计创造有利条件[8]。

4 结语

轻量化复合材料在鞋类行业中的创新应用，为鞋类产品的设计提供了全新的方案，不仅提高了鞋品的舒适性和功能性，也促进了鞋类产品在轻量化、高性能等方面的多维度提升。为实现对该类材料的合理利用，设计人员需要发挥自身的能动性，针对鞋面、鞋底、鞋垫以及内衬等多个结构，推进设计优化工作，采取革新材料应用理念、改进鞋品生产工艺、加强鞋品质量监管、推进专业人才培养等多项措施与策略，推进鞋类结构设计理念的革新，切实提升鞋品品质，为鞋类行业的可持续发展提供有力的保障。

注释：

①图片来源：https://post.smzdm.com/p/az357drp/

②图片来源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1819318880541431651

③图片来源：https://store.lining.com/goods/detail?spuId=11412651

参考文献：

[1]黄趋庭，梁琪悦，文勇，等.儿童机能鞋鞋垫跟杯高度与腰窝结构对行走稳定性的影响[J].皮革科学与工程，2020，30（3）：68-71.

[2]王晓蕊，张皋鹏，王雨萍，等.基于结构性设计要素的女式皮鞋产品分类体系的研究[J].皮革科学与工程，2023，33（6）：70-76.

[3]余森林，叶林栋.可持续视域下的模块化运动鞋品设计[J].丝绸，2024，61（02）：31-43.

[4]姚云鹤，孟子衿，王若涵，等.多穿性鞋品的设计与发展探究[J].中国皮革，2023，52（12）：56-60.

[5]王莉叶.国货崛起背景下鞋类产业转型升级发展策略研究[J].鞋类工艺与设计，2022，2（13）：18-20.

[6]李雪梅，杜鹃.北京服装学院服饰艺术与工程学院2021届箱包设计与鞋品设计专业毕业设计作品解读[J].北京皮革，2021，46（07）：51-55.

[7]舒世益.基于足底压力特点角度的拇趾外翻矫形鞋设计[J].皮革科学与工程，2020，30（05）：63-67+73.