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。
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)。
1.2.1 短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂片狀模復(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。
1.3.1 短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂片狀模復(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]。
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]。
2.2.1 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)闃渲挥械装宓谋砻孢M(jìn)行了改性,影響有限。
表2 樹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
通過(guò)上文的分析可知,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂片狀模復(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。