复合材料用作乒乓球拍底板的动力学特性研究

孙晋媛

（西安医学院，陕西西安710021)

国际乒乓球联合会对乒乓球球拍的底板用材做出严格的规定，要求其至少含有85% 的天然木材，并且底板的黏合层可以应用玻璃纤维、碳纤维等不同的纤维材料，每一黏合层的厚度为0.35mm 或者不超过底板总厚度的7.5%［1］。当前球拍底板主要使用玻璃纤维、芳碳混编纤、芳基纤维、碳素纤维四种复合材料。碳素纤维的应用在一定程度上提高了底板的硬度，但是由于该材料的振动频率高，振动衰减时间长，因此，在击球时会出现“乱跳”、“散”等不好控制的感觉。芳基纤维在击球时感觉十分柔和，振动衰减时间短，并且用力反馈集中，偶尔会存在“黏球”感觉。芳/碳混编纤维的振幅和碳素纤维相近，底板的反弹效率较高。玻璃纤维的特性与天然木材最为接近，但是其振动频率不高，振动衰减速度比较慢，因此，在击球过程中不能形成良好的击球“底劲儿”。

由于上述材料存在一定的缺陷，因此，随着科学技术的发展出现了片状模塑料，该材料是一种复合材料，由碳纤维、树脂基体和中间相界面加工组成，性能稳定，本研究将短切碳纤维增强环氧树脂片状模塑料应用在乒乓球拍底板上，研究短切碳纤维长度和加压压力对乒乓球拍底板的动力学特性的影响。

1 试验部分

1.1 主要试剂与原料

短切碳纤维( 盐城市翔盛碳纤维科技有限公司生产，密度1.8g/cm3，含碳量93%，直径7μm，抗拉强度3500MPa 以上)；E51 型环氧树脂（无锡钱广化工原料有限公司生产，密度1.12g/cm3，25℃粘度1150cps）；硬脂酸锌、丙烯酰胺、对苯二酚、过氧化苯甲酸叔丁酯均为分析纯，购自阿拉丁公司；二苯基甲烷二异氰酸酯（麦卡希试剂，分析纯）；氧化苯甲酰（麦克林试剂，分析纯）。

1.2 制备方法

1.2.1 短切碳纤维增强环氧树脂片状模复合材料制备

根据体积含量配比将已经配置好的树脂糊状物放置在传送带的薄膜上，同时将长度为2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm 和11mm 的短切纤维进行改性，改性时浸没于质量分数为5% 的环氧树脂水溶液中，通过真空加压方式将溶液均一注入木材，在空气中进行干燥，含水率平衡之后放置在干燥窑中加热聚合24h 得到预浸料，控制短切碳纤维增强环氧树脂片状模复合材料中的碳纤维质量分数为38%。

1.2.2 复合材料用作乒乓球拍底板的制备

确定最佳短切纤维长度之后，制作质量分数为0%、1%、3%、5%、10%和15%的环氧树脂改性溶液，通过真空加压方式将溶液均一注入林巴单板，在空气中进行干燥，含水率平衡之后放置在干燥窑中加热聚合24h 得到预浸料。之后根据组坯、涂胶、陈放、热压、养生、铣型、粘贴生产工序加工底板，具体工艺为：压力0.2MPa，底板一共7 层，热压时间共20min，涂胶量为 200g /m2，底板采用对称十字交叉组坯的方式进行，七层分别为林巴单板、阿尤斯夹板、阿尤斯夹板、阿尤斯、阿尤斯夹板、阿尤斯夹板、林巴单板。底板压制完成之后，放置恒温恒湿干燥箱中高温120℃处理48h，己保证浸溃在表板内的改性试剂与木材完全反应，之后胶合粘贴乒乓球球把手，制作完成之后进行性能球拍动力学性能测试。

1.3 分析方法

1.3.1 短切碳纤维增强环氧树脂片状模复合材料的测试与表征

根据GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》中的相关规定，制作尺寸为250mm×25mm×4mm 的短切碳纤维增强环氧树脂片状模复合材料试样，采用MTS-808 万能拉伸试验机以2mm/min 的速率进行纤维拉伸，拉伸过程中试样表面贴加应变片；采用FEI 公司SIRION200高分辨场发射扫描电镜对复合材料的表面显微形貌和拉伸断口的形貌进行观察。

1.3.2 复合材料用作乒乓球拍底板的性能分析

（1）动力学分析

乒乓球拍底板的动力学分析采用Q800 型号动态热机械分析仪（TA 公司），试验模式选择三点弯曲，试验方法选择应力应变，根据压制的乒乓球拍底板裁剪试件，试件的长、宽、厚分别为65.0mm、3.0mm、6.5mm，测试为室温25℃，测试过程中设置静态力为1 N，选择的振幅范围为1μm～200μm、频率为1Hz［2］。

（2）冲击强度和表面硬度

乒乓球拍底板的冲击强度测试根据GB1943-2007 进行，底板幅面尺寸选择的乒乓球拍底板裁剪试件尺寸长、宽、厚分别为80.0mm、10.0mm、6.5mm。乒乓球拍底板的表面强度测试根据国家标准《人造板物理性能测试方法》GB/T 17657-1999 进行, 将5mm 钢球压入乒乓球拍底板厚度一半时的载荷作为乒乓球拍底板的硬度评价指标［3］。

2 实验结果与讨论

2.1 复合材料的测试与表征结果

对长度为2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm和11mm 的短切纤维改性之后的碳纤维增强树脂片状模复合材料进行弹性模量和拉伸强度测试，结果见表1，根据表1 可知，随着碳纤维长度的增加，复合材料的弹性模量和拉伸强度都呈现出先增大后减小的趋势。当碳纤维的长度为3.8mm 时得到复合材料的弹性模量最大值，之后随着碳纤维长度的增加，复合材料的弹性模量逐渐减小。当碳纤维的长度为9.2mm 时复合材料的拉伸强度达最大值，之后复合材料的拉伸强度减小。这主要是由于碳纤维的轴向应力与长短呈正比，碳纤维越长其轴向应力越大，纤维束状分布特征越明显，内部的气孔缺陷增多，降低了纤维的弹性模量，但是随着碳纤维的长度进一步加大，当超过9.2mm 时，碳纤维复合材料的承力部分在碳纤维，而碳纤维长度较短时碳纤维复合材料的承力部分在树脂基体，由此造成复合材料的拉伸强度随着碳纤维长度的增加而降低［4-5］。

表1 不同碳纤维长度的复合材料的弹性模量和拉伸强度Table 1 Elastic modulus and tensile strength of composites with different carbon fiber lengths

长度为2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm 和11mm的短切纤维的改性之后的碳纤维增强树脂片状模复合材料的拉伸断口形貌如图1 所示。图1 中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的碳纤维长度分别为2mm、3.8mm、5.6mm、7.4mm、9.2mm、11mm。

图1 不同碳纤维长度的复合材料的拉伸断口形貌Fig. 1 Tensile fracture morphology of composites with different carbon fiber length

根据图1 可知，由于碳纤维表面存在的缺点如较大的直线度偏差等将会导致在高应力张拉过程中碳纤维板出现应力集中、受力不均匀等情况造成碳纤维断裂，碳纤维树脂浸润之后形成复合材料，当碳纤维长度为2mm时，拉伸过程中的破坏主要发生在树脂基体，断面中的部分纤维被拔出，此时复合材料的拉伸强度比较低；随着碳纤维的长度不断增加，纤维的浸润性得到了改善，树脂的外加作用力逐渐传递至碳纤维，碳纤维的长度为9.2mm 时，拉伸断裂的断面中显示碳纤维发生了脱粘现象，裂缝穿过树脂基体需要消耗更多的能量，此时的复合材料的拉伸强度最大；当碳纤维长度为11mm 时，拉伸过程中复合材料出现大面积脱粘情况，降低了拉伸强度［6-7］。

2.2 复合材料用作乒乓球拍底板的性能分析结果

2.2.1 动态力学分析结果

根据动力学分析方法施加交变载荷，实验结果如图2～图4 所示，根据图2 可知，乒乓球拍底板利用短切碳纤维增强环氧树脂片状模复合材料改性之后底板试件的变形处于弹性模量区间，应变曲线的斜率增加，说明木材底板的弹性模量不断变大。表层改性底板产生的斜率增加受改性溶液浓度变化影响不大。这主要是因为测试过程中采用的是三点弯曲模式，该模式下球拍的应力变化主要由球拍的上下表层材料决定，根据图3 和图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储能模量、损耗模量均有所提高，储能模量比损耗模量增幅较大，这主要是因为改性之后，底板的环氧树脂增强了碳纤维的长度，并且在木材内部形成了网状结构提高了乒乓球拍的储能能力。

图2 不同质量分数溶液改性对所制底板样条的应力影响Fig. 2 The influence of different mass fraction of liquid on the stress of the bottom spline

图3 不同质量分数溶液改性对所制底板样条的储能模量的影响Fig. 3 The effect of different mass fraction of liquid on the storage modulus of the bottom spline

图4 不同质量分数溶液改性对所制底板样条的损耗模量的影响Fig. 4 Effect of different mass fraction of liquid on the loss modulus of the bottom spline

2.2.2 冲击强度和表面硬度结果分析

在受到冲击载荷作用时，材料在短时间内单位面积吸收的破坏能量被称之为冲击强度，球拍底板表面改性之后底板材料受到的冲击强度与球拍底板未处理时受到的冲击强度结果见表2。根据表2 可知，表面改性之后底板受到的冲击强度降低，这是由于改性过程中，树脂与碳纤维形成了刚性的网状结构，降低了碳纤维在冲击力作用下的移动度，吸收冲击能量和变形能力降低，从总体上来说，球拍表面材料改性之后承受的冲击强度有所降低，通过上文的分析可知，球拍底板改性之后底板的弹性模量变大，这说明球拍底板在低的变形能力下，可以迅速将吸收的能量施加于乒乓球从而提高乒乓球的出球速度。而表面改性对乒乓球球拍的表面硬度影响不明显。改性单板对底板的硬度影响不明显，这主要是因为树脂只有底板的表面进行了改性，影响有限。

表2 树脂改性单板后球拍底板冲击强度与表面硬度Table 2 Impact strength and surface hardness of racket bottom plate after resin modified veneer

3 结束语

通过上文的分析可知，碳纤维增强环氧树脂片状模复合材料用作乒乓球拍底板，降低了冲击强度，提高了底板的弹性模量和乒乓球拍的储能能力，这说明球拍底板在低的变形能力下，可以迅速将吸收的能量施加于乒乓球从而提高乒乓球的出球速度，本研究为乒乓球拍底板的复合材料的应用提供了一定的理论支撑，具有一定的实践价值。