碳纤维复合材料论文第六篇：碳纤维复合材料乒乓球拍性能优劣分析
摘要：以碳纤维复合材料为基础所制备的乒乓球拍底板特殊结构入手，对当前应用较多的碳纤维乒乓球拍底板制备方法进行分析，并与芳纶底板、玻璃纤维底板等的性能进行对比，总结出碳纤维复合材料乒乓球拍性能方面的优劣势，并认为碳/芳混编底板具有更好的应用前景。
关键词:碳纤维;乒乓球拍底板;性能分析;
Abstract：Starting with the special structure of the table tennis racket backplane prepared on the basis of carbon fiber composite materials, the currently used carbon fiber table tennis racket backplane preparation methods are analyzed and compared with the performance of the aramid fiber backplane and the glass fiber backplane, and the advantages and disadvantages of the performance of the carbon fiber composite table tennis racket are summarized and it is believed that the carbon fiber/aramid fiber mixed braid backplane has better application prospects.
乒乓球运动是一种能够锻炼人体敏捷性、反应能力、耐力等的运动，在我国素有“国球”之称，并拥有雄厚的群众基础。乒乓球拍的底板，是影响乒乓球拍在击球时所产生作用力的主要因素之一。对于乒乓球运动员而言，乒乓球拍底板性能的差异会在一定程度上影响运动员的技术动作、出球速度以及球体的旋转等[1,2,3]。传统的乒乓球拍底板多以实木(如进口桧木等)组成，拍身坚固、耐用。随着现代材料科技的不断发展，玻璃纤维、碳纤维、芳纶在体育器材制备领域的应用越来越成熟，以碳纤维复合材料制备而成的乒乓球拍底板逐渐因其质量轻、韧性佳，能够在击球时产生良好的缓冲而受到乒乓球职业运动员或业余爱好者的青睐[4]。本文将针对碳纤维复合材料制备而成的乒乓球拍性能优劣势进行分析，旨在肯定碳纤维材料在乒乓球运动领域的材料性能优势，挖掘碳纤维材料在乒乓球领域的应用潜力。
1 碳纤维复合材料乒乓球拍
1.1 球拍结构
根据国际乒乓球联合会的规定，竞技用乒乓球拍的底板中应至少包含质量占比为85%的天然木材。因此，尽管某些乒乓球拍被归类到碳纤维复合材料球拍大类中，但实际上并不可能全部以碳纤维材料进行球拍制备。图1是我国某国产品牌两种碳纤维乒乓球拍底板的剖面结构图。
图1(a)所示为早期碳纤维乒乓球拍底板最常见的“3+2”复合结构。该乒乓球底板采用三层木材搭配两层碳纤维的结构，击球力度大、击球力度反馈清晰。但随着乒乓球球体的增大以及运动员技战术水平的提升，比赛过程中的“推、拉”等动作逐渐增多，每场球回合数也逐渐增多，采用“3+2”结构制备的乒乓球拍底板逐渐因为无法为运动员提供更好击球缓冲而逐渐被职业竞技乒乓球领域所淘汰。图1(b)中的乒乓球拍底板采用了当前最流行的“5+2”结构，即在球拍两面最表层(1、7层)以玫瑰木、黑檀木为主材，2、5层以碳纤维复合材料为主材，3、6层以阿尤斯木为主材，芯层以桐木与阿尤斯木为主材，采用黏合、压实等工艺制备而成[5]。“5+2”结构与“3+2”结构相比增加了两层木材层，更适合职业球员进行拉球、削球以及大回合数的竞技比赛；而采用“3+2”结构制备而成的碳纤维复合材料乒乓球底板由于价格更为低廉、扣杀时的击球手感更好而更加适合业余爱好者使用。
1.2 底板分类
碳纤维复合材料乒乓球拍底板的碳纤维部分主要由碳纤维、环氧树脂等复合加工而成[6]。碳纤维乒乓球拍底板的分类方法主要有两种，如图2所示。
1.2.1 根据碳含量进行划分
根据碳含量进行划分，碳纤维乒乓球拍底板可以分为：①重型碳底板，也称全碳底板，其质量占比最高可达球拍底板整体质量的15%，即根据国际乒乓球联合会的规定将碳纤维材料占比尽量拉高，从而为运动员提供最佳的反弹力度、极低的击球弧线等；②轻型碳底板，设计理念是在尽可能利用到碳纤维复合材料高速击球性能的同时，提升球拍类似于纯木底板的击球手感，在应用碳纤维材料时将其质量占比尽量降低。
图1 碳素纤维乒乓球拍底板典型剖面结构图
图2 碳纤维乒乓球拍底板分类
1.2.2 根据碳纤维类型进行划分
根据底板使用的碳纤维类型进行划分，碳纤维复合材料乒乓球拍底板可以分为：①编织碳纤维底板。该类型底板为最常见、最传统的碳纤维底板，采用纵横垂直交错编织的碳纤维布为主材进行多层黏合，不需要像纯木底板一样考虑木材纤维的走向，整体弹性和强度均较为理想。②短切碳纤维底板。短切碳纤维底板是一种通过添加薄碳、软碳或碳纤维毡的形式制备而成的乒乓球拍底板，这类碳纤维底板的最大特点是使用的碳纤维材料均为短切碳纤维，而短切碳纤维则是通过将长条或整面碳纤维材料随机切割成不同长度的小段，再经过无规律地平铺所形成的碳纤维层。③排列碳纤维底板。该工艺是通过将一根根碳纤维以同向排列的方法制成的单向碳板或单轴碳板，经过树脂固化以后单向碳板可以提供类似木材的纹路，但只能在单向提供强度，需要将其与木材一样进行纤维方向的搭配才能正常使用。④颗粒碳材料底板。颗粒碳材料底板是通过大量的胶水对颗粒碳材料进行黏合所制备而成的乒乓球拍底板夹层，因此颗粒碳材料底板也被称为碳素胶水底板。这类型碳纤维材料底板的特性在于碳材料的含量以及结构形式没有固定标准，能够获得最自然的碳—木结合手感，但是并不能对乒乓球拍的性能产生过多的影响。
2 碳纤维复合材料乒乓球拍性能优劣分析
2.1 编织碳纤维底板
2.1.1 优势
编织碳纤维底板的纤维层能够在乒乓球运动员进行削、推、拉、扣杀等动作时为运动员提供强力支撑，击球时提供的反弹速度很快，在出球速度上较一般的实木底板更快。利用编织碳纤维进行乒乓球拍底板加工，已经成为当前乒乓球拍制备领域最常见的制备方法之一，所制备的球拍底板性能强、刚性大、灵活性高。同时，由于碳纤维底板使用的碳纤维材料为编织好的材料，因而在进行底板加工时不需要考虑纤维的铺设方向，仅进行裁剪和黏结即可。
2.1.2 劣势
编织碳纤维底板从产品的使用性能上没有明显的缺点，但是由于编织碳纤维在纤维制作、编织过程中所使用的工艺较为复杂，因此编织碳纤维底板的价格往往较高，生产过程中形成的环境污染较高。
2.2 短切碳纤维底板
2.2.1 优势
短切碳纤维底板在整体形变、击球时球拍的持球时间以及底劲儿方面的局部优势较高。由于球拍的纤维层均采用短切、薄碳、软碳等材料切割制备而成，在纤维长度的范围内底板材料的整体刚性能够得到一定保证。同时，碳纤维材料在底板中应用程度进一步缩减，球拍底板两侧通过黏合剂接触的面积将会大大提升，此时运动员在击球时的振动传递将更多地依靠球拍底板中的木材成分进行传递，能够为运动员提供更好的击球手感。同时，短切碳纤维底板在进行结构设计时不需要特别考虑碳纤维材料的位置、方向等，整体结构设计更加灵活。
2.2.2 劣势
短切碳纤维底板中的碳纤维材料无法人为调整，同时由于碳纤维长度限制无法进行编织或排布。理论上短切碳纤维底板纤维间的关联作用极弱，利用短切碳纤维底板制备而成的乒乓球拍底板整体密度太低，无法充分发挥碳纤维材料弹性模量大的优势。因此，利用短切碳纤维材料进行底板制备的工艺往往也仅适用于某些中低端球拍，较低的材料成本和加工工艺也更加适合这一价位区间的业余乒乓球爱好者购买和使用。
2.3 排列碳纤维底板
排列碳纤维底板中所使用的碳纤维材料为一根根碳纤维细丝单独进行树脂固化后排列而成，也常被制成碳片底板。尽管从材料的厚度上看碳片的厚度较厚且材料本身质量较轻，但实际上材料本身只能在沿纤维方向提供强度，需要将两层排列碳纤维材料进行叠加。而这种工艺复杂且制备以后的性能与编织碳纤维底板并无明显差异的碳纤维底板已经被淘汰。
2.4 颗粒碳材料底板
2.4.1 优势
制备工艺及产品结构简单、生产成本低等，是颗粒碳材料底板的显着优点。这种能够使用碳纤维材料边角料进行产品加工的底板加工方法，显然能够为低端碳纤维乒乓球拍领域的使用人员提供性能优于木材且价格远低于一般碳纤维球拍的球拍。同时，颗粒碳材料也能够在一定程度上提升球拍本身的性能，在球拍降重方面也能够提供一定的作用。
2.4.2 劣势
颗粒碳材料底板对运动员击球速度、控球能力的提升极为有限。在部分高水平运动员看来，这种仅以颗粒进行掺合制备碳层的球拍底板与木板本身没有太多的差别。颗粒碳材料底板碳材料颗粒体积小、用量少，对乒乓球拍弹性模量、强度等的改变程度很低。
3 碳纤维复合材料乒乓球拍性能优化
表1所示为当前乒乓球拍底板制备领域常用碳纤维材料、芳纶材料以及玻璃纤维材料等复合材料层的力学性能参数。由表1中数据可知：与芳纶相比，碳纤维材料在强度、比强度方面的优势不大；密度方面要高于芳纶，同等设计结构下的球拍质量可能要略高于芳纶底板[7,8]；初期振幅低于芳纶，击球手感上不如芳纶柔和，但是可以缩短球在底板上的滞留时间，更加有利于运动员降低击球弧线，增强运动员击球时的速度和攻击力等；振动衰减时间更长，击球反馈的振动会比芳纶更“散”，对控球能力的要求更高。由表1还可知：与玻璃纤维相比，碳纤维材料在强度、比强度、密度等方面全面占优[9]；初期振幅更低，表明碳纤维材料在击球手感柔和度方面要劣于玻璃纤维材料；振动衰减时间短于玻璃纤维，表明碳纤维材料底板的底板反馈控制能力要强于玻璃纤维。
表1 几种底板复合材料层性能参数[10]
碳纤维与芳纶、玻璃纤维相比存在不同的性能差异，将碳纤维与芳纶、玻璃纤维进行混编以后再次对制成的复合材料底板性能参数进行测试，得到表2所示混编以后的乒乓球拍底板复合材料层性能参数。
表2 混编后的底板复合材料层性能参数
经混编以后的碳/芳混编纤维与碳/玻璃混编纤维相比，在各性能参数方面的差异较大，具体体现在：①碳/芳混编纤维在材料强度、比强度等方面存在细微优势，表明碳/芳混编的乒乓球拍底板材料能够为运动员提供更高的刚性；②材料密度方面，碳/芳混编底板的密度优势较大，球拍本身的质量通常也可以设计得更轻；③初期振幅方面，二者之间存在一定差异，碳/芳混编材料的初期振幅更高，表示材料能够为运动员提供更加柔和的击球手感，但碳/玻璃混编能够为运动员提供更短的击球时间，击球弧线的控制、球速和击球攻击力等方面的优势更大；④碳/芳混编材料的振动衰减时间远小于碳/玻璃混编材料，击球时的底板反馈力更集中，可以做到刚柔相济。
综合而言，认为碳/芳混编材料的整体性能要优于碳/玻璃混编材料。碳/芳混编材料吸收了碳纤维材料和芳纶材料的优点，从球拍性能角度考虑值得进行推广。
4 结语
碳纤维复合材料制备乒乓球拍的工艺已逐渐成熟，利用碳纤维材料加工而成的复合球拍底板具有密度低、强度高、击球手感好等多种优势。本文针对当前碳纤维材料底板常用的碳纤维类型进行分析，总结了编织碳纤维底板、短切碳纤维底板、排列碳纤维底板等的优劣势；通过对碳纤维底板与芳纶底板、玻璃纤维底板的性能对比，探讨了碳/芳混编以及碳/玻璃混编制备底板的可能性，并对两种混编底板复合材料层的性能进行了分析，认为碳/芳混编底板在材料性能方面全面优于碳/玻璃混编底板，具有更好的应用前景。
参考文献
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