碳纖維乒乓球底板的制備與摩擦性能研究

(長安大學(xué)，陜西西安 710061)

為了更好地推動世界乒乓球運動的可持續(xù)發(fā)展，國際乒聯(lián)于2014年進行了40+與新材料球的規(guī)則改革，標志著乒乓球運動進入了新球時代。與傳統(tǒng)的賽璐璐有縫乒乓球相比，新球在體積、重量、彈性等物理特性及球感、手感等運動員運動知覺與膠皮相適性等方面均發(fā)生了明顯變化，必定為乒乓球運動發(fā)展帶來重大影響[1]。乒乓球底板作為影響該運動的重要因素，如何實現(xiàn)乒乓球器材與新球的器物相適性顯得尤為重要[2]。具有比強度高、耐熱性好以及優(yōu)良抗腐蝕性能的碳纖維復(fù)合材料在乒乓球底板中展現(xiàn)了較好的應(yīng)用前景，而作為考核關(guān)鍵指標的摩擦學(xué)性能的研究仍然處于空白[3]，本文開展外加載荷和溫度對碳纖維乒乓球底板摩擦學(xué)性能的影響的研究，將有助于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用以及推動乒乓球運動的健康發(fā)展。

1 試驗部分

試驗用碳纖維乒乓球底板為CCF300/BA9916-Ⅱ碳纖維復(fù)合材料層合板，纖維面密度為132g/m2、樹脂含量為32%、單層厚度1.3mm；對磨材料為PH13-8Mo不銹鋼，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為0.03Mn、0.62Si、12.78Cr、8.1Ni、2.4Mo、1.04Al，余量為Fe。將碳纖維層合板加工成20mm×10mm×3mm，在 FTM200 摩擦磨損試驗機上進行微動磨損試驗，共設(shè)置了表1所示的5種摩擦試驗方案，試驗前對碳纖維層合板試樣進行酒精超聲清洗和吹干。

根據(jù)SQLite Expert Personal 軟件記錄摩擦試驗過程中的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)并繪制成曲線；采用DP/AL104型分析電子天平對磨損前后的試樣進行稱量并計算磨損量；摩擦磨損形貌采用ZEISS Sigma 300場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷

圖1為當(dāng)載荷分別為100N、150N和200N時碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線。可見，在不同載荷條件下，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時間變化曲線相似，都表現(xiàn)為隨著磨損時間先急劇下降而后保持穩(wěn)定的特征，且載荷在100N和150N時穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)相近，并都高于載荷為200N時穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)。在前2000s時間范圍內(nèi)，不同載荷下碳纖維復(fù)合材料均處于跑合階段，摩擦系數(shù)會減小，而隨著摩擦磨損試驗的進行，復(fù)合材料表面在磨損作用下形成了碳粉或者碳顆粒等物質(zhì)，從而對摩擦磨損起到了潤滑作用[4]，摩擦系數(shù)會減小并逐漸達到平衡而處于一個相對穩(wěn)定階段，此時的變化幅度相對較小。

圖1 不同載荷條件下碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線Fig. 1 Friction coefficient versus time of carbon f iber composites under different loads

分別對載荷100N、150N和200N時碳纖維復(fù)合材料的磨損量進行測試，結(jié)果如圖2所示。在較低的載荷（100N）下，碳纖維復(fù)合材料的磨損量約為2.03mg；當(dāng)載荷增加至150N和200N時，碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別提高至3.37mg和3.52mg。可見，當(dāng)載荷從100N增加至150N時，磨損量增加幅度較大，而當(dāng)載荷從150N增加至200N時，磨損量增加幅度較小，這也與較大載荷下形成的碳粉或者碳顆粒等物質(zhì)對摩擦起到了潤滑作用有關(guān)[5]。

圖2 不同載荷條件下碳纖維復(fù)合材料的磨損量Fig. 2 Wear loss of carbon f ibre composites under different loads

圖3為載荷100N、150N和200N時碳纖維復(fù)合材料的表面磨損形貌。可見，在較低的載荷下，碳纖維復(fù)合材料表面由于往復(fù)摩擦而形成了細小磨屑，此時的磨損機制主要為磨粒磨損，但是同時也可以在局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)少量微動裂紋存在。當(dāng)載荷增加至150N時，碳纖維復(fù)合材料表面有部分樹脂剝落現(xiàn)象，微動裂紋數(shù)量增多，此時的磨損機制主要為疲勞磨損；載荷增加至200N時，碳纖維復(fù)合材料表面的樹脂剝落現(xiàn)象更加嚴重，且微動裂紋數(shù)量增多，這主要是循環(huán)切應(yīng)力和真應(yīng)力共同作用的結(jié)果[6]，此時的磨損機制主要為疲勞磨損。

圖3 不同載荷條件下碳纖維復(fù)合材料的磨損形貌Fig. 3 Wear morphology of carbon f iber composites under different loading conditions

2.2 環(huán)境溫度

圖4為環(huán)境溫度為-25℃、0℃和25℃時碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時間變化曲線。對比分析可見，碳纖維復(fù)合材料在25℃時摩擦系數(shù)最低，而降低溫度后復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大；在開始磨合階段，溫度為-25℃時碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)下降較快，并在載荷為100N時出現(xiàn)-25℃摩擦系數(shù)小于0℃摩擦系數(shù)的特征，但是在載荷為200N時，溫度為-25℃時碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)下降較慢，且一直都高于0℃和25℃時碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。這主要是因為低溫高載荷作用下，碳纖維復(fù)合材料的疲勞磨損會帶來表面形成較多的剝落坑，并在大量潤滑磨屑作用下摩擦系數(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定平衡[7]。

圖4 不同溫度條件下碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時間變化曲線Fig. 4 Friction coefficient-time curve of carbon f iber composites at different temperatures

圖5為環(huán)境溫度為-25℃、0℃和25℃時碳纖維復(fù)合材料的磨損量測試結(jié)果，其中載荷分別為100N和200N。可見，隨著溫度從25℃減小至-25℃，100N和200N載荷下的碳纖維復(fù)合材料的磨損量都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢；當(dāng)溫度為25℃時，載荷為100N和200N時碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別為1.33mg和2.03mg，而溫度為-25℃時，載荷為100N和200N時碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別增加至2.81mg和5.32mg。可見，溫度的降低會增加載荷為100N和200N時碳纖維復(fù)合材料的磨損量。

圖5 不同溫度條件下碳纖維復(fù)合材料的磨損量Fig. 5 Wear loss of carbon f iber composites at different temperatures

圖6為環(huán)境溫度為-25℃、0℃和25℃時碳纖維復(fù)合材料的表面磨損形貌，右邊區(qū)域分別對應(yīng)圖6（a）～（d）中的方框的放大形貌。當(dāng)溫度為-25℃時，碳纖維復(fù)合材料表面剝落較為嚴重，較多的磨屑在磨痕中聚集，表面在外加載荷作用下形成了局部塑性變形和微動裂紋；當(dāng)溫度增加至0℃時，碳纖維復(fù)合材料表面可見明顯的微動裂紋，而剝落現(xiàn)象明顯減輕；在提高溫度至25℃時，碳纖維復(fù)合材料表面僅可見局部較淺的微動裂紋，而剝落現(xiàn)象基本消失，這主要是因為較低溫度下會加速碳纖維復(fù)合材料的疲勞磨損，造成磨損量增大。從溫度對碳纖維復(fù)合材料磨損量和磨損形貌的測試結(jié)果來看，由于低溫下碳纖維復(fù)合材料會表現(xiàn)出一定脆性，因此剝落現(xiàn)象會加劇，且較低的溫度會使得復(fù)合材料中的樹脂基發(fā)生收縮從而增加碳纖維與基體的結(jié)合力并加劇磨損，另一個重要原因是低溫下產(chǎn)生的磨粒和磨屑的硬度會增大[8]，從而加速犁削作用并造成磨損量增大。

圖6 不同溫度條件下碳纖維復(fù)合材料的表面磨損形貌Fig. 6 Surface wear morphology of carbon f iber composites at different temperatures

3 結(jié)論

（1）在不同載荷條件下，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時間變化曲線相似，都表現(xiàn)為隨著磨損時間先急劇下降而后保持穩(wěn)定的特征，且載荷在100N和150N時穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)相近，并都高于載荷為200N時穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)。

（2）在較低的載荷（100N）下，碳纖維復(fù)合材料的磨損量約為2.03mg；當(dāng)載荷增加至150N和200N時，碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別提高至3.37mg和3.52mg。載荷100N時碳纖維復(fù)合材料的磨損機制主要為磨粒磨損，載荷增加至150N和200N時，碳纖維復(fù)合材料的磨損機制主要為疲勞磨損。

（3）隨著溫度從25℃減小至-25℃，100N和200N載荷下的碳纖維復(fù)合材料的磨損量都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢；當(dāng)溫度為25℃時，載荷為100N和200N時碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別為1.33mg和2.03mg，而溫度為-25℃時，載荷為100N和200N時碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別增加至2.81mg和5.32mg。