碳纖維乒乓球底板的制備與摩擦性能研究

(長安大學，陜西西安 710061)

為了更好地推動世界乒乓球運動的可持續發展，國際乒聯于2014年進行了40+與新材料球的規則改革，標志著乒乓球運動進入了新球時代。與傳統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生了明顯變化，必定為乒乓球運動發展帶來重大影響[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、耐熱性好以及優良抗腐蝕性能的碳纖維復合材料在乒乓球底板中展現了較好的應用前景，而作為考核關鍵指標的摩擦學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性能的影響的研究，將有助于碳纖維復合材料的應用以及推動乒乓球運動的健康發展。

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，化學成分（質量分數，%）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SQLite Expert Personal 軟件記錄摩擦試驗過程中的摩擦系數數據并繪制成曲線；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場發射掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與討論

2.1 載荷

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

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

分別對載荷100N、150N和200N時碳纖維復合材料的磨損量進行測試，結果如圖2所示。在較低的載荷（100N）下，碳纖維復合材料的磨損量約為2.03mg；當載荷增加至150N和200N時，碳纖維復合材料的磨損量分別提高至3.37mg和3.52mg。可見，當載荷從100N增加至150N時，磨損量增加幅度較大，而當載荷從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對摩擦起到了潤滑作用有關[5]。

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

圖3為載荷100N、150N和200N時碳纖維復合材料的表面磨損形貌。可見，在較低的載荷下，碳纖維復合材料表面由于往復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域發現少量微動裂紋存在。當載荷增加至150N時，碳纖維復合材料表面有部分樹脂剝落現象，微動裂紋數量增多，此時的磨損機制主要為疲勞磨損；載荷增加至200N時，碳纖維復合材料表面的樹脂剝落現象更加嚴重，且微動裂紋數量增多，這主要是循環切應力和真應力共同作用的結果[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合材料的磨損形貌Fig. 3 Wear morphology of carbon f iber composites under different loading conditions

2.2 環境溫度

圖4為環境溫度為-25℃、0℃和25℃時碳纖維復合材料的摩擦系數-時間變化曲線。對比分析可見，碳纖維復合材料在25℃時摩擦系數最低，而降低溫度后復合材料的摩擦系數增大；在開始磨合階段，溫度為-25℃時碳纖維復合材料的摩擦系數下降較快，并在載荷為100N時出現-25℃摩擦系數小于0℃摩擦系數的特征，但是在載荷為200N時，溫度為-25℃時碳纖維復合材料的摩擦系數下降較慢，且一直都高于0℃和25℃時碳纖維復合材料的摩擦系數。這主要是因為低溫高載荷作用下，碳纖維復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實現穩定平衡[7]。

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

圖5為環境溫度為-25℃、0℃和25℃時碳纖維復合材料的磨損量測試結果，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載荷下的碳纖維復合材料的磨損量都呈現逐漸升高的趨勢；當溫度為25℃時，載荷為100N和200N時碳纖維復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時碳纖維復合材料的磨損量。

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

圖6為環境溫度為-25℃、0℃和25℃時碳纖維復合材料的表面磨損形貌，右邊區域分別對應圖6（a）～（d）中的方框的放大形貌。當溫度為-25℃時，碳纖維復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；當溫度增加至0℃時，碳纖維復合材料表面可見明顯的微動裂紋，而剝落現象明顯減輕；在提高溫度至25℃時，碳纖維復合材料表面僅可見局部較淺的微動裂紋，而剝落現象基本消失，這主要是因為較低溫度下會加速碳纖維復合材料的疲勞磨損，造成磨損量增大。從溫度對碳纖維復合材料磨損量和磨損形貌的測試結果來看，由于低溫下碳纖維復合材料會表現出一定脆性，因此剝落現象會加劇，且較低的溫度會使得復合材料中的樹脂基發生收縮從而增加碳纖維與基體的結合力并加劇磨損，另一個重要原因是低溫下產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 結論

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

（2）在較低的載荷（100N）下，碳纖維復合材料的磨損量約為2.03mg；當載荷增加至150N和200N時，碳纖維復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載荷下的碳纖維復合材料的磨損量都呈現逐漸升高的趨勢；當溫度為25℃時，載荷為100N和200N時碳纖維復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時碳纖維復合材料的磨損量分別增加至2.81mg和5.32mg。