復(fù)合材料用作乒乓球拍底板的動(dòng)力學(xué)特性研究

孫晉媛

（西安醫(yī)學(xué)院，陜西西安710021)

國(guó)際乒乓球聯(lián)合會(huì)對(duì)乒乓球球拍的底板用材做出嚴(yán)格的規(guī)定，要求其至少含有85% 的天然木材，并且底板的黏合層可以應(yīng)用玻璃纖維、碳纖維等不同的纖維材料，每一黏合層的厚度為0.35mm 或者不超過(guò)底板總厚度的7.5%［1］。當(dāng)前球拍底板主要使用玻璃纖維、芳碳混編纖、芳基纖維、碳素纖維四種復(fù)合材料。碳素纖維的應(yīng)用在一定程度上提高了底板的硬度，但是由于該材料的振動(dòng)頻率高，振動(dòng)衰減時(shí)間長(zhǎng)，因此，在擊球時(shí)會(huì)出現(xiàn)“亂跳”、“散”等不好控制的感覺(jué)。芳基纖維在擊球時(shí)感覺(jué)十分柔和，振動(dòng)衰減時(shí)間短，并且用力反饋集中，偶爾會(huì)存在“黏球”感覺(jué)。芳/碳混編纖維的振幅和碳素纖維相近，底板的反彈效率較高。玻璃纖維的特性與天然木材最為接近，但是其振動(dòng)頻率不高，振動(dòng)衰減速度比較慢，因此，在擊球過(guò)程中不能形成良好的擊球“底勁兒”。

由于上述材料存在一定的缺陷，因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了片狀模塑料，該材料是一種復(fù)合材料，由碳纖維、樹(shù)脂基體和中間相界面加工組成，性能穩(wěn)定，本研究將短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂片狀模塑料應(yīng)用在乒乓球拍底板上，研究短切碳纖維長(zhǎng)度和加壓壓力對(duì)乒乓球拍底板的動(dòng)力學(xué)特性的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與原料

短切碳纖維( 鹽城市翔盛碳纖維科技有限公司生產(chǎn)，密度1.8g/cm3，含碳量93%，直徑7μm，抗拉強(qiáng)度3500MPa 以上)；E51 型環(huán)氧樹(shù)脂（無(wú)錫錢廣化工原料有限公司生產(chǎn)，密度1.12g/cm3，25℃粘度1150cps）；硬脂酸鋅、丙烯酰胺、對(duì)苯二酚、過(guò)氧化苯甲酸叔丁酯均為分析純，購(gòu)自阿拉丁公司；二苯基甲烷二異氰酸酯（麥卡希試劑，分析純）；氧化苯甲酰（麥克林試劑，分析純）。

1.2 制備方法

1.2.1 短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料制備

根據(jù)體積含量配比將已經(jīng)配置好的樹(shù)脂糊狀物放置在傳送帶的薄膜上，同時(shí)將長(zhǎng)度為2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm 和11mm 的短切纖維進(jìn)行改性，改性時(shí)浸沒(méi)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% 的環(huán)氧樹(shù)脂水溶液中，通過(guò)真空加壓方式將溶液均一注入木材，在空氣中進(jìn)行干燥，含水率平衡之后放置在干燥窯中加熱聚合24h 得到預(yù)浸料，控制短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料中的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%。

1.2.2 復(fù)合材料用作乒乓球拍底板的制備

確定最佳短切纖維長(zhǎng)度之后，制作質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、3%、5%、10%和15%的環(huán)氧樹(shù)脂改性溶液，通過(guò)真空加壓方式將溶液均一注入林巴單板，在空氣中進(jìn)行干燥，含水率平衡之后放置在干燥窯中加熱聚合24h 得到預(yù)浸料。之后根據(jù)組坯、涂膠、陳放、熱壓、養(yǎng)生、銑型、粘貼生產(chǎn)工序加工底板，具體工藝為：壓力0.2MPa，底板一共7 層，熱壓時(shí)間共20min，涂膠量為 200g /m2，底板采用對(duì)稱十字交叉組坯的方式進(jìn)行，七層分別為林巴單板、阿尤斯夾板、阿尤斯夾板、阿尤斯、阿尤斯夾板、阿尤斯夾板、林巴單板。底板壓制完成之后，放置恒溫恒濕干燥箱中高溫120℃處理48h，己保證浸潰在表板內(nèi)的改性試劑與木材完全反應(yīng)，之后膠合粘貼乒乓球球把手，制作完成之后進(jìn)行性能球拍動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試。

1.3 分析方法

1.3.1 短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料的測(cè)試與表征

根據(jù)GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，制作尺寸為250mm×25mm×4mm 的短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料試樣，采用MTS-808 萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)以2mm/min 的速率進(jìn)行纖維拉伸，拉伸過(guò)程中試樣表面貼加應(yīng)變片；采用FEI 公司SIRION200高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)復(fù)合材料的表面顯微形貌和拉伸斷口的形貌進(jìn)行觀察。

1.3.2 復(fù)合材料用作乒乓球拍底板的性能分析

（1）動(dòng)力學(xué)分析

乒乓球拍底板的動(dòng)力學(xué)分析采用Q800 型號(hào)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（TA 公司），試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇三點(diǎn)彎曲，試驗(yàn)方法選擇應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)壓制的乒乓球拍底板裁剪試件，試件的長(zhǎng)、寬、厚分別為65.0mm、3.0mm、6.5mm，測(cè)試為室溫25℃，測(cè)試過(guò)程中設(shè)置靜態(tài)力為1 N，選擇的振幅范圍為1μm～200μm、頻率為1Hz［2］。

（2）沖擊強(qiáng)度和表面硬度

乒乓球拍底板的沖擊強(qiáng)度測(cè)試根據(jù)GB1943-2007 進(jìn)行，底板幅面尺寸選擇的乒乓球拍底板裁剪試件尺寸長(zhǎng)、寬、厚分別為80.0mm、10.0mm、6.5mm。乒乓球拍底板的表面強(qiáng)度測(cè)試根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《人造板物理性能測(cè)試方法》GB/T 17657-1999 進(jìn)行, 將5mm 鋼球壓入乒乓球拍底板厚度一半時(shí)的載荷作為乒乓球拍底板的硬度評(píng)價(jià)指標(biāo)［3］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的測(cè)試與表征結(jié)果

對(duì)長(zhǎng)度為2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm和11mm 的短切纖維改性之后的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料進(jìn)行彈性模量和拉伸強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1，根據(jù)表1 可知，隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)碳纖維的長(zhǎng)度為3.8mm 時(shí)得到復(fù)合材料的彈性模量最大值，之后隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料的彈性模量逐漸減小。當(dāng)碳纖維的長(zhǎng)度為9.2mm 時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)最大值，之后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度減小。這主要是由于碳纖維的軸向應(yīng)力與長(zhǎng)短呈正比，碳纖維越長(zhǎng)其軸向應(yīng)力越大，纖維束狀分布特征越明顯，內(nèi)部的氣孔缺陷增多，降低了纖維的彈性模量，但是隨著碳纖維的長(zhǎng)度進(jìn)一步加大，當(dāng)超過(guò)9.2mm 時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的承力部分在碳纖維，而碳纖維長(zhǎng)度較短時(shí)碳纖維復(fù)合材料的承力部分在樹(shù)脂基體，由此造成復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加而降低［4-5］。

表1 不同碳纖維長(zhǎng)度的復(fù)合材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度Table 1 Elastic modulus and tensile strength of composites with different carbon fiber lengths

長(zhǎng)度為2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm 和11mm的短切纖維的改性之后的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料的拉伸斷口形貌如圖1 所示。圖1 中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的碳纖維長(zhǎng)度分別為2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm、11mm。

圖1 不同碳纖維長(zhǎng)度的復(fù)合材料的拉伸斷口形貌Fig. 1 Tensile fracture morphology of composites with different carbon fiber length

根據(jù)圖1 可知，由于碳纖維表面存在的缺點(diǎn)如較大的直線度偏差等將會(huì)導(dǎo)致在高應(yīng)力張拉過(guò)程中碳纖維板出現(xiàn)應(yīng)力集中、受力不均勻等情況造成碳纖維斷裂，碳纖維樹(shù)脂浸潤(rùn)之后形成復(fù)合材料，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為2mm時(shí)，拉伸過(guò)程中的破壞主要發(fā)生在樹(shù)脂基體，斷面中的部分纖維被拔出，此時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比較低；隨著碳纖維的長(zhǎng)度不斷增加，纖維的浸潤(rùn)性得到了改善，樹(shù)脂的外加作用力逐漸傳遞至碳纖維，碳纖維的長(zhǎng)度為9.2mm 時(shí)，拉伸斷裂的斷面中顯示碳纖維發(fā)生了脫粘現(xiàn)象，裂縫穿過(guò)樹(shù)脂基體需要消耗更多的能量，此時(shí)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大；當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為11mm 時(shí)，拉伸過(guò)程中復(fù)合材料出現(xiàn)大面積脫粘情況，降低了拉伸強(qiáng)度［6-7］。

2.2 復(fù)合材料用作乒乓球拍底板的性能分析結(jié)果

2.2.1 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析方法施加交變載荷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4 所示，根據(jù)圖2 可知，乒乓球拍底板利用短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料改性之后底板試件的變形處于彈性模量區(qū)間，應(yīng)變曲線的斜率增加，說(shuō)明木材底板的彈性模量不斷變大。表層改性底板產(chǎn)生的斜率增加受改性溶液濃度變化影響不大。這主要是因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中采用的是三點(diǎn)彎曲模式，該模式下球拍的應(yīng)力變化主要由球拍的上下表層材料決定，根據(jù)圖3 和圖4 可知，球拍底板表面改性之后，和未改性之前相比球拍底板的儲(chǔ)能模量、損耗模量均有所提高，儲(chǔ)能模量比損耗模量增幅較大，這主要是因?yàn)楦男灾?，底板的環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)了碳纖維的長(zhǎng)度，并且在木材內(nèi)部形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了乒乓球拍的儲(chǔ)能能力。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液改性對(duì)所制底板樣條的應(yīng)力影響Fig. 2 The influence of different mass fraction of liquid on the stress of the bottom spline

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液改性對(duì)所制底板樣條的儲(chǔ)能模量的影響Fig. 3 The effect of different mass fraction of liquid on the storage modulus of the bottom spline

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液改性對(duì)所制底板樣條的損耗模量的影響Fig. 4 Effect of different mass fraction of liquid on the loss modulus of the bottom spline

2.2.2 沖擊強(qiáng)度和表面硬度結(jié)果分析

在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，材料在短時(shí)間內(nèi)單位面積吸收的破壞能量被稱之為沖擊強(qiáng)度，球拍底板表面改性之后底板材料受到的沖擊強(qiáng)度與球拍底板未處理時(shí)受到的沖擊強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2 可知，表面改性之后底板受到的沖擊強(qiáng)度降低，這是由于改性過(guò)程中，樹(shù)脂與碳纖維形成了剛性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了碳纖維在沖擊力作用下的移動(dòng)度，吸收沖擊能量和變形能力降低，從總體上來(lái)說(shuō)，球拍表面材料改性之后承受的沖擊強(qiáng)度有所降低，通過(guò)上文的分析可知，球拍底板改性之后底板的彈性模量變大，這說(shuō)明球拍底板在低的變形能力下，可以迅速將吸收的能量施加于乒乓球從而提高乒乓球的出球速度。而表面改性對(duì)乒乓球球拍的表面硬度影響不明顯。改性單板對(duì)底板的硬度影響不明顯，這主要是因?yàn)闃?shù)脂只有底板的表面進(jìn)行了改性，影響有限。

表2 樹(shù)脂改性單板后球拍底板沖擊強(qiáng)度與表面硬度Table 2 Impact strength and surface hardness of racket bottom plate after resin modified veneer

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上文的分析可知，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂片狀模復(fù)合材料用作乒乓球拍底板，降低了沖擊強(qiáng)度，提高了底板的彈性模量和乒乓球拍的儲(chǔ)能能力，這說(shuō)明球拍底板在低的變形能力下，可以迅速將吸收的能量施加于乒乓球從而提高乒乓球的出球速度，本研究為乒乓球拍底板的復(fù)合材料的應(yīng)用提供了一定的理論支撐，具有一定的實(shí)踐價(jià)值。