復合材料用作乒乓球拍底板的動力學特性研究

孫晉媛

（西安醫學院，陜西西安710021)

國際乒乓球聯合會對乒乓球球拍的底板用材做出嚴格的規定，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 或者不超過底板總厚度的7.5%［1］。當前球拍底板主要使用玻璃纖維、芳碳混編纖、芳基纖維、碳素纖維四種復合材料。碳素纖維的應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頻率高，振動衰減時間長，因此，在擊球時會出現“亂跳”、“散”等不好控制的感覺。芳基纖維在擊球時感覺十分柔和，振動衰減時間短，并且用力反饋集中，偶爾會存在“黏球”感覺。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，但是其振動頻率不高，振動衰減速度比較慢，因此，在擊球過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，隨著科學技術的發展出現了片狀模塑料，該材料是一種復合材料，由碳纖維、樹脂基體和中間相界面加工組成，性能穩定，本研究將短切碳纖維增強環氧樹脂片狀模塑料應用在乒乓球拍底板上，研究短切碳纖維長度和加壓壓力對乒乓球拍底板的動力學特性的影響。

1 試驗部分

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，密度1.8g/cm3，含碳量93%，直徑7μm，抗拉強度3500MPa 以上)；E51 型環氧樹脂（無錫錢廣化工原料有限公司生產，密度1.12g/cm3，25℃粘度1150cps）；硬脂酸鋅、丙烯酰胺、對苯二酚、過氧化苯甲酸叔丁酯均為分析純，購自阿拉丁公司；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 短切碳纖維增強環氧樹脂片狀模復合材料制備

根據體積含量配比將已經配置好的樹脂糊狀物放置在傳送帶的薄膜上，同時將長度為2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm 和11mm 的短切纖維進行改性，改性時浸沒于質量分數為5% 的環氧樹脂水溶液中，通過真空加壓方式將溶液均一注入木材，在空氣中進行干燥，含水率平衡之后放置在干燥窯中加熱聚合24h 得到預浸料，控制短切碳纖維增強環氧樹脂片狀模復合材料中的碳纖維質量分數為38%。

1.2.2 復合材料用作乒乓球拍底板的制備

確定最佳短切纖維長度之后，制作質量分數為0%、1%、3%、5%、10%和15%的環氧樹脂改性溶液，通過真空加壓方式將溶液均一注入林巴單板，在空氣中進行干燥，含水率平衡之后放置在干燥窯中加熱聚合24h 得到預浸料。之后根據組坯、涂膠、陳放、熱壓、養生、銑型、粘貼生產工序加工底板，具體工藝為：壓力0.2MPa，底板一共7 層，熱壓時間共20min，涂膠量為 200g /m2，底板采用對稱十字交叉組坯的方式進行，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的改性試劑與木材完全反應，之后膠合粘貼乒乓球球把手，制作完成之后進行性能球拍動力學性能測試。

1.3 分析方法

1.3.1 短切碳纖維增強環氧樹脂片狀模復合材料的測試與表征

根據GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》中的相關規定，制作尺寸為250mm×25mm×4mm 的短切碳纖維增強環氧樹脂片狀模復合材料試樣，采用MTS-808 萬能拉伸試驗機以2mm/min 的速率進行纖維拉伸，拉伸過程中試樣表面貼加應變片；采用FEI 公司SIRION200高分辨場發射掃描電鏡對復合材料的表面顯微形貌和拉伸斷口的形貌進行觀察。

1.3.2 復合材料用作乒乓球拍底板的性能分析

（1）動力學分析

乒乓球拍底板的動力學分析采用Q800 型號動態熱機械分析儀（TA 公司），試驗模式選擇三點彎曲，試驗方法選擇應力應變，根據壓制的乒乓球拍底板裁剪試件，試件的長、寬、厚分別為65.0mm、3.0mm、6.5mm，測試為室溫25℃，測試過程中設置靜態力為1 N，選擇的振幅范圍為1μm～200μm、頻率為1Hz［2］。

（2）沖擊強度和表面硬度

乒乓球拍底板的沖擊強度測試根據GB1943-2007 進行，底板幅面尺寸選擇的乒乓球拍底板裁剪試件尺寸長、寬、厚分別為80.0mm、10.0mm、6.5mm。乒乓球拍底板的表面強度測試根據國家標準《人造板物理性能測試方法》GB/T 17657-1999 進行, 將5mm 鋼球壓入乒乓球拍底板厚度一半時的載荷作為乒乓球拍底板的硬度評價指標［3］。

2 實驗結果與討論

2.1 復合材料的測試與表征結果

對長度為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樹脂片狀模復合材料進行彈性模量和拉伸強度測試，結果見表1，根據表1 可知，隨著碳纖維長度的增加，復合材料的彈性模量和拉伸強度都呈現出先增大后減小的趨勢。當碳纖維的長度為3.8mm 時得到復合材料的彈性模量最大值，之后隨著碳纖維長度的增加，復合材料的彈性模量逐漸減小。當碳纖維的長度為9.2mm 時復合材料的拉伸強度達最大值，之后復合材料的拉伸強度減小。這主要是由于碳纖維的軸向應力與長短呈正比，碳纖維越長其軸向應力越大，纖維束狀分布特征越明顯，內部的氣孔缺陷增多，降低了纖維的彈性模量，但是隨著碳纖維的長度進一步加大，當超過9.2mm 時，碳纖維復合材料的承力部分在碳纖維，而碳纖維長度較短時碳纖維復合材料的承力部分在樹脂基體，由此造成復合材料的拉伸強度隨著碳纖維長度的增加而降低［4-5］。

表1 不同碳纖維長度的復合材料的彈性模量和拉伸強度Table 1 Elastic modulus and tensile strength of composites with different carbon fiber lengths

長度為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樹脂片狀模復合材料的拉伸斷口形貌如圖1 所示。圖1 中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的碳纖維長度分別為2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm、11mm。

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

根據圖1 可知，由于碳纖維表面存在的缺點如較大的直線度偏差等將會導致在高應力張拉過程中碳纖維板出現應力集中、受力不均勻等情況造成碳纖維斷裂，碳纖維樹脂浸潤之后形成復合材料，當碳纖維長度為2mm時，拉伸過程中的破壞主要發生在樹脂基體，斷面中的部分纖維被拔出，此時復合材料的拉伸強度比較低；隨著碳纖維的長度不斷增加，纖維的浸潤性得到了改善，樹脂的外加作用力逐漸傳遞至碳纖維，碳纖維的長度為9.2mm 時，拉伸斷裂的斷面中顯示碳纖維發生了脫粘現象，裂縫穿過樹脂基體需要消耗更多的能量，此時的復合材料的拉伸強度最大；當碳纖維長度為11mm 時，拉伸過程中復合材料出現大面積脫粘情況，降低了拉伸強度［6-7］。

2.2 復合材料用作乒乓球拍底板的性能分析結果

2.2.1 動態力學分析結果

根據動力學分析方法施加交變載荷，實驗結果如圖2～圖4 所示，根據圖2 可知，乒乓球拍底板利用短切碳纖維增強環氧樹脂片狀模復合材料改性之后底板試件的變形處于彈性模量區間，應變曲線的斜率增加，說明木材底板的彈性模量不斷變大。表層改性底板產生的斜率增加受改性溶液濃度變化影響不大。這主要是因為測試過程中采用的是三點彎曲模式，該模式下球拍的應力變化主要由球拍的上下表層材料決定，根據圖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能模量、損耗模量均有所提高，儲能模量比損耗模量增幅較大，這主要是因為改性之后，底板的環氧樹脂增強了碳纖維的長度，并且在木材內部形成了網狀結構提高了乒乓球拍的儲能能力。

圖2 不同質量分數溶液改性對所制底板樣條的應力影響Fig. 2 The influence of different mass fraction of liquid on the stress of the bottom spline

圖3 不同質量分數溶液改性對所制底板樣條的儲能模量的影響Fig. 3 The effect of different mass fraction of liquid on the storage modulus of the bottom spline

圖4 不同質量分數溶液改性對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 沖擊強度和表面硬度結果分析

在受到沖擊載荷作用時，材料在短時間內單位面積吸收的破壞能量被稱之為沖擊強度，球拍底板表面改性之后底板材料受到的沖擊強度與球拍底板未處理時受到的沖擊強度結果見表2。根據表2 可知，表面改性之后底板受到的沖擊強度降低，這是由于改性過程中，樹脂與碳纖維形成了剛性的網狀結構，降低了碳纖維在沖擊力作用下的移動度，吸收沖擊能量和變形能力降低，從總體上來說，球拍表面材料改性之后承受的沖擊強度有所降低，通過上文的分析可知，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。而表面改性對乒乓球球拍的表面硬度影響不明顯。改性單板對底板的硬度影響不明顯，這主要是因為樹脂只有底板的表面進行了改性，影響有限。

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

3 結束語

通過上文的分析可知，碳纖維增強環氧樹脂片狀模復合材料用作乒乓球拍底板，降低了沖擊強度，提高了底板的彈性模量和乒乓球拍的儲能能力，這說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合材料的應用提供了一定的理論支撐，具有一定的實踐價值。