高分子輕量化乒乓球底板性能分析及對(duì)青少年訓(xùn)練影響研究

高克蓮，喬國(guó)寶

（1.榆林學(xué)院 體育學(xué)院，榆林 719000；2.榆林市體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校，榆林 719000）

0 引言

當(dāng)前科技水平不斷提高，體育運(yùn)動(dòng)發(fā)展特征趨于先進(jìn)化、科學(xué)化，創(chuàng)新研發(fā)體育器材及其相關(guān)材料，能夠提升青少年基礎(chǔ)訓(xùn)練條件，有效改進(jìn)運(yùn)動(dòng)員體育發(fā)展水平，通過優(yōu)化創(chuàng)新乒乓球板底材料引領(lǐng)青少年高水平專業(yè)訓(xùn)練成為新課題。本文旨在從碳纖維高分子輕量化乒乓球板底的性能分析基礎(chǔ)上，論述輕量化乒乓球底板對(duì)青少年產(chǎn)生的實(shí)際訓(xùn)練成效。通過對(duì)兩個(gè)碳纖維展纖機(jī)織試樣及兩個(gè)碳纖維傳統(tǒng)機(jī)織試樣進(jìn)行性能檢驗(yàn)，分別判斷兩種試樣的拉伸與壓縮程度，并對(duì)其斷裂機(jī)理展開分析。基于上述關(guān)于材料性能的研究，有利于補(bǔ)充碳纖維高分子材料在輕量化乒乓球底板或相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，保證青少年乒乓球訓(xùn)練方案的科學(xué)性與合理性。

1 高分子輕量化乒乓球底板用碳纖維材料制備性能研究

1.1 研究實(shí)施背景

高分子輕量化乒乓球板底屬于專項(xiàng)課題《青少年乒乓球拍的研制與市場(chǎng)開發(fā)》中的主要?jiǎng)?chuàng)新成果。通過與專業(yè)底板生產(chǎn)制造廠家進(jìn)行合作，選定使用木材，對(duì)乒乓球底板進(jìn)行多次調(diào)試，確保其結(jié)構(gòu)及相關(guān)材料的配比符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；由于青少年手型較小、手部抓握力較差，將乒乓球手柄設(shè)計(jì)為扭柄，此類型手柄更貼合青少年使用特征，保證乒乓球各方面性能指標(biāo)相對(duì)平衡，具備良好彈性[1]。

1.2 試驗(yàn)部分

主要原料：環(huán)氧樹脂，E51型，上海凱茵化工有限公司；碳纖維材料，T3001000-50B 型（強(qiáng)度3530MPa）、T700SC12000-50C（強(qiáng)度4900MPa），日本東麗株式會(huì)社。

將上述原料進(jìn)行碳纖維乒乓球板底材料制備，相關(guān)物力參數(shù)如表1所示。4種不同類型板材中，有兩種是通過傳統(tǒng)碳紗制備的傳統(tǒng)織物，另外兩種是通過機(jī)械多輥筒展纖制備的展纖織物。此外，纖維包圍角為81.2°，展纖速度設(shè)定為6m/min，加熱溫度設(shè)定為98℃。

表1 4種碳纖維高分子板底材料物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of four kinds of carbon fiber polymer substrate materials

基于ASTMD3039/D3039M-08《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備為微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為UTM5105，實(shí)驗(yàn)物品尺寸形狀如圖1a 所示。設(shè)備中的加強(qiáng)片為玻璃纖維復(fù)合板，實(shí)際厚度為2mm，試驗(yàn)機(jī)拉伸速率保持在2.5mm/min?；贏STMD6641《聚合物基復(fù)合材料層壓板壓縮性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備同上，尺寸形狀如圖1b所示[2-3]。

圖1 碳纖維高分子乒乓球底板實(shí)驗(yàn)尺寸Fig.1 Experimental dimensions of carbon fiber polymer table tennis plate

2 結(jié)果與討論

2.1 最大屈曲角

截取4種不同制備方法的碳纖維乒乓球板底材料樣品截面，并將樣品截面進(jìn)行拋光打磨，之后通過光學(xué)顯微鏡對(duì)四種樣品截面進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)，對(duì)經(jīng)紗與緯紗交織所產(chǎn)生的最大屈曲角展開數(shù)據(jù)測(cè)量。結(jié)合實(shí)際觀察與數(shù)據(jù)測(cè)量，可以得出：傳統(tǒng)織物1 為9.5°、傳統(tǒng)織物2 為10.7°、展纖織物1 為2.9°、展纖織物2為2.5°。由此可見，兩種機(jī)織效果中，展纖機(jī)織的最大屈曲角比傳統(tǒng)機(jī)織小[4]。

2.2 拉伸強(qiáng)度

以拉伸強(qiáng)度為檢測(cè)目標(biāo)。分別對(duì)不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 4種碳纖維乒乓板底拉伸強(qiáng)度Fig.2 Tensile strength of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中可知傳統(tǒng)織物1 為599.8MPa，傳統(tǒng)織物2 為818.8MPa，展纖織物1 為1056.3MPa，展纖織物2為1081.9MPa。通過拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)盡管具體制備配比存在差異，但是展纖機(jī)織比傳統(tǒng)碳紗制備方法所制造出輕量化乒乓球板底拉伸強(qiáng)度更高。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：在傳統(tǒng)織物樣品中，由于經(jīng)紗與緯紗相互交叉而產(chǎn)生的織點(diǎn)較多，難以發(fā)揮出織物結(jié)構(gòu)的彈性作用，并出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而降低樣品拉伸性能；而展纖織物中形成的紗線屈曲程度較小，充分發(fā)揮出纖維組織自身強(qiáng)度，同時(shí)在纖維體積分?jǐn)?shù)高、厚度薄的基礎(chǔ)上，有效提升展纖織物的抗拉伸負(fù)荷能力。此外，由于兩個(gè)傳統(tǒng)織物樣品中，傳統(tǒng)織物2的碳纖維含量比傳統(tǒng)織物1高，所以傳統(tǒng)織物2具備更高的拉伸強(qiáng)度[5]。

2.3 拉伸模量

以拉伸模量為檢測(cè)目標(biāo)，分別對(duì)不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 4種碳纖維乒乓板底拉伸模量Fig.3 Tensile modulus of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

經(jīng)檢測(cè)可知，傳統(tǒng)織物1 的拉伸模量為59.5Gpa，傳統(tǒng)織物2 為60.1Gpa；展纖織物1 的拉伸模量為57.7Gpa，展現(xiàn)織物2 為60.5Gpa。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，盡管拉伸強(qiáng)度有一定差距，但是兩種展纖織物樣品與傳統(tǒng)織物樣品所具備的拉伸模量沒有較大差距。

2.4 壓縮強(qiáng)度

以壓縮強(qiáng)度為檢測(cè)目標(biāo)，分別對(duì)不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 4種碳纖維乒乓板底壓縮強(qiáng)度Fig.4 Compression strength of four kinds of carbon fiber table tennis plate bottom

經(jīng)檢測(cè)可知，傳統(tǒng)織物1 的壓縮強(qiáng)度為331.2MPa，傳統(tǒng)織物2 為151.9MPa；展纖織物1 的壓縮強(qiáng)度為409.4MPa，展纖織物2為418.8MPa。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在壓縮強(qiáng)度方面，展纖織物1、2都比傳統(tǒng)織物1、2更具備應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.5 壓縮模量

以壓縮模量為檢測(cè)目標(biāo)，分別對(duì)不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種碳纖維乒乓板底壓縮模量Fig.5 Compression modulus of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

傳統(tǒng)織物1 的壓縮壓縮模量為56.5Gpa，傳統(tǒng)織物2 為51.7Gpa；展纖織物1 的壓縮模量為53.1Gpa，展纖織物2 為58.2Gpa。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，四種碳纖維輕量化織物樣品壓縮模量沒有產(chǎn)生較大差距，受制備方式及材料配比影響較小。

對(duì)碳纖維織物進(jìn)行壓縮時(shí)，不同碳纖維底板材料所具備的纖維屈服形態(tài)直接決定相應(yīng)材料壓縮強(qiáng)度的高低。但是，由于傳統(tǒng)織物樣品1、2 與展纖織物樣品1、2 相比，具備更大的紗線屈曲角，由于紗線屈曲角越大，對(duì)壓縮損傷的承載力越低，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)織物比展纖織物的臨界載荷弱。另外，碳纖維這一高分子材料受體積分?jǐn)?shù)的影響較大，碳纖維體積分?jǐn)?shù)越小，抗壓縮強(qiáng)度就越低。已知展纖織物樣品1、2 的碳纖維體積分?jǐn)?shù)比傳統(tǒng)織物樣品1、2 高，因此，前者具備更高的壓縮強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步探究出傳統(tǒng)織物1、2 壓縮模量及強(qiáng)度有所不同的原因。盡管兩種傳統(tǒng)織物的紗線屈曲角沒有較大差距，但是傳統(tǒng)織物樣品1的密度較小，更容易在壓縮作用下出現(xiàn)裂紋或擴(kuò)展，這一情況直接降低了織物的抗壓縮能力[6]。

2.6 破壞形態(tài)

以破壞形態(tài)為檢測(cè)內(nèi)容，分別對(duì)不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進(jìn)行測(cè)試。碳纖維材料斷裂夾角如表2所示。

表2 碳纖維板材壓縮夾角Tab.2 Compression angle of carbon fiber sheet

結(jié)合表中數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)織物1 的夾角較為分散，斷口與壓縮方向未形成相對(duì)一致的角度，出現(xiàn)這一問題的主要原因在于：傳統(tǒng)織物1中復(fù)合性材料與層次結(jié)構(gòu)較多，碳纖維底板厚度方向中出現(xiàn)由多個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)在壓縮過中受到破壞而產(chǎn)生的裂紋，且裂紋分布形態(tài)沒有規(guī)律，較為隨機(jī)。斷裂面呈鋸齒狀；傳統(tǒng)織物2與兩種展纖織物的斷裂面與壓縮承載方向表現(xiàn)出固定的形態(tài)，斷口與壓縮方向的夾角逐漸變高。傳統(tǒng)織物2的夾角角度與兩種展纖織物夾角角度小的主要原因在于：展纖織物的紗線屈曲角較小，在制備過程中，經(jīng)紗與緯紗的交互點(diǎn)較少，有效控制板材中應(yīng)力集中點(diǎn)的數(shù)量，這就使碳纖維板材斷裂面相對(duì)整齊[7]。

3 高分子輕量化乒乓球底板性能對(duì)青少年訓(xùn)練影響分析

為有效測(cè)驗(yàn)碳纖維高分子輕量化乒乓球板底對(duì)青少年相關(guān)技能的訓(xùn)練是否起到一定作用，將按照不同年齡層，分為實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組，對(duì)青少年乒乓球左推右攻、反手搓球以及正手拉球技術(shù)的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。

3.1 左推右攻技術(shù)穩(wěn)定性

左推右攻技術(shù)術(shù)語轉(zhuǎn)換類技術(shù)，充分發(fā)揮此技術(shù)的作用需要熟練掌握正手攻球、反手攻球以及腳下移動(dòng)的配合，協(xié)調(diào)配合自身肢體?？紤]到低年齡段青少年技術(shù)尚未成型、耐力水平不足，在左推右攻技術(shù)穩(wěn)定性測(cè)試過程中的適應(yīng)性較差，特別是使用常規(guī)球拍的對(duì)照組學(xué)員，不適應(yīng)性更加明顯，且失誤多出現(xiàn)在測(cè)驗(yàn)中后階段。實(shí)驗(yàn)均值為23.6 對(duì)照組為22.58，通過對(duì)獨(dú)立樣本的檢驗(yàn)可以得出P＜0.05，表明實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的差異較大，且實(shí)驗(yàn)組左推右攻技術(shù)比對(duì)照組更優(yōu)[8]。

3.2 反手搓球技術(shù)穩(wěn)定性

反手搓球?qū)儆谙滦蚣夹g(shù)，與上旋球技術(shù)相比，前者動(dòng)作幅度較小、發(fā)力較少，通過對(duì)球的控制進(jìn)行穩(wěn)定低齡青少年運(yùn)動(dòng)員耐力水平低，在長(zhǎng)時(shí)間控球過程中容易疲勞，在反手搓球穩(wěn)定性檢測(cè)中后階段中不適應(yīng)性加強(qiáng)，使用常規(guī)球拍的對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出的不適應(yīng)性更加明顯。低年齡運(yùn)動(dòng)員實(shí)驗(yàn)組反手搓球技術(shù)實(shí)驗(yàn)均值為33.76，對(duì)照組為32.09，P＜0.05，表明反手搓球訓(xùn)練成效中實(shí)驗(yàn)組明顯優(yōu)于對(duì)照組[9]。

3.3 正手拉球技術(shù)穩(wěn)定性

正手拉球同樣屬于下旋球技術(shù)，但是與上旋球相比，動(dòng)作幅度偏大，且需要對(duì)球進(jìn)行主動(dòng)發(fā)力。在對(duì)低年齡正手拉球技術(shù)檢驗(yàn)中，得出實(shí)驗(yàn)組平均值為0.745，對(duì)照組為0.699，P＜0.05，即表明實(shí)驗(yàn)組正手拉球技術(shù)比對(duì)照組更優(yōu)。

結(jié)合上述信息，低年齡運(yùn)動(dòng)員未有效適應(yīng)常規(guī)球拍，且表現(xiàn)出明顯的年齡特征。例如，在6~12 歲區(qū)間，青少年運(yùn)動(dòng)員身體發(fā)育成熟度較低，協(xié)調(diào)性與技術(shù)操控穩(wěn)定性較差；在13~15歲區(qū)間，青少年各項(xiàng)身體技能開始逐漸增強(qiáng)，穩(wěn)定性與協(xié)調(diào)性尚未表現(xiàn)出十分明顯的差異；在16~18歲區(qū)間，青少年運(yùn)動(dòng)員身體素質(zhì)及技術(shù)水平都趨向于成年人，所以在技術(shù)測(cè)試中沒有較為明顯的差異。以上信息表示，只有根據(jù)運(yùn)動(dòng)員身體素質(zhì)與技術(shù)水平的實(shí)際變化情況，科學(xué)合理的轉(zhuǎn)變輕量化乒乓球拍與常規(guī)球拍進(jìn)行轉(zhuǎn)變，才能提高青少年訓(xùn)練效果[10]。

4 結(jié)語

碳纖維輕量化乒乓球底板拉伸與壓縮性能均達(dá)到理想使用標(biāo)準(zhǔn)。通過青少年訓(xùn)練影響檢測(cè)，可得出以下結(jié)論：輕量化乒乓球拍板底對(duì)技術(shù)的影響具有一定的年齡特征；青少年合理使用碳纖維輕量化乒乓球底板能夠提升技術(shù)穩(wěn)定性與協(xié)調(diào)性；之后通過輕量化乒乓球拍與常規(guī)乒乓球拍的轉(zhuǎn)換，保證青少年對(duì)訓(xùn)練具有良好適應(yīng)性，以此輔助提高乒乓球技術(shù)水平。