高分子輕量化乒乓球底板性能分析及對青少年訓練影響研究

高克蓮，喬國寶

（1.榆林學院 體育學院，榆林 719000；2.榆林市體育運動學校，榆林 719000）

0 引言

當前科技水平不斷提高，體育運動發展特征趨于先進化、科學化，創新研發體育器材及其相關材料，能夠提升青少年基礎訓練條件，有效改進運動員體育發展水平，通過優化創新乒乓球板底材料引領青少年高水平專業訓練成為新課題。本文旨在從碳纖維高分子輕量化乒乓球板底的性能分析基礎上，論述輕量化乒乓球底板對青少年產生的實際訓練成效。通過對兩個碳纖維展纖機織試樣及兩個碳纖維傳統機織試樣進行性能檢驗，分別判斷兩種試樣的拉伸與壓縮程度，并對其斷裂機理展開分析。基于上述關于材料性能的研究，有利于補充碳纖維高分子材料在輕量化乒乓球底板或相關領域的應用，保證青少年乒乓球訓練方案的科學性與合理性。

1 高分子輕量化乒乓球底板用碳纖維材料制備性能研究

1.1 研究實施背景

高分子輕量化乒乓球板底屬于專項課題《青少年乒乓球拍的研制與市場開發》中的主要創新成果。通過與專業底板生產制造廠家進行合作，選定使用木材，對乒乓球底板進行多次調試，確保其結構及相關材料的配比符合設計標準；由于青少年手型較小、手部抓握力較差，將乒乓球手柄設計為扭柄，此類型手柄更貼合青少年使用特征，保證乒乓球各方面性能指標相對平衡，具備良好彈性[1]。

1.2 試驗部分

主要原料：環氧樹脂，E51型，上海凱茵化工有限公司；碳纖維材料，T3001000-50B 型（強度3530MPa）、T700SC12000-50C（強度4900MPa），日本東麗株式會社。

將上述原料進行碳纖維乒乓球板底材料制備，相關物力參數如表1所示。4種不同類型板材中，有兩種是通過傳統碳紗制備的傳統織物，另外兩種是通過機械多輥筒展纖制備的展纖織物。此外，纖維包圍角為81.2°，展纖速度設定為6m/min，加熱溫度設定為98℃。

表1 4種碳纖維高分子板底材料物理參數Tab.1 Physical parameters of four kinds of carbon fiber polymer substrate materials

基于ASTMD3039/D3039M-08《聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》，確定實驗設備為微機控制電子萬能試驗機，型號為UTM5105，實驗物品尺寸形狀如圖1a 所示。設備中的加強片為玻璃纖維復合板，實際厚度為2mm，試驗機拉伸速率保持在2.5mm/min。基于ASTMD6641《聚合物基復合材料層壓板壓縮性能標準試驗方法》，確定實驗設備同上，尺寸形狀如圖1b所示[2-3]。

圖1 碳纖維高分子乒乓球底板實驗尺寸Fig.1 Experimental dimensions of carbon fiber polymer table tennis plate

2 結果與討論

2.1 最大屈曲角

截取4種不同制備方法的碳纖維乒乓球板底材料樣品截面，并將樣品截面進行拋光打磨，之后通過光學顯微鏡對四種樣品截面進行觀測。同時，對經紗與緯紗交織所產生的最大屈曲角展開數據測量。結合實際觀察與數據測量，可以得出：傳統織物1 為9.5°、傳統織物2 為10.7°、展纖織物1 為2.9°、展纖織物2為2.5°。由此可見，兩種機織效果中，展纖機織的最大屈曲角比傳統機織小[4]。

2.2 拉伸強度

以拉伸強度為檢測目標。分別對不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進行測試。檢測結果如圖2所示。

圖2 4種碳纖維乒乓板底拉伸強度Fig.2 Tensile strength of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

拉伸強度實驗檢測中可知傳統織物1 為599.8MPa，傳統織物2 為818.8MPa，展纖織物1 為1056.3MPa，展纖織物2為1081.9MPa。通過拉伸強度數據對比，能夠發現盡管具體制備配比存在差異，但是展纖機織比傳統碳紗制備方法所制造出輕量化乒乓球板底拉伸強度更高。產生這一現象的原因在于：在傳統織物樣品中，由于經紗與緯紗相互交叉而產生的織點較多，難以發揮出織物結構的彈性作用，并出現應力集中，從而降低樣品拉伸性能；而展纖織物中形成的紗線屈曲程度較小，充分發揮出纖維組織自身強度，同時在纖維體積分數高、厚度薄的基礎上，有效提升展纖織物的抗拉伸負荷能力。此外，由于兩個傳統織物樣品中，傳統織物2的碳纖維含量比傳統織物1高，所以傳統織物2具備更高的拉伸強度[5]。

2.3 拉伸模量

以拉伸模量為檢測目標，分別對不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進行測試。檢測結果如圖3所示。

圖3 4種碳纖維乒乓板底拉伸模量Fig.3 Tensile modulus of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

經檢測可知，傳統織物1 的拉伸模量為59.5Gpa，傳統織物2 為60.1Gpa；展纖織物1 的拉伸模量為57.7Gpa，展現織物2 為60.5Gpa。通過數據對比分析可知，盡管拉伸強度有一定差距，但是兩種展纖織物樣品與傳統織物樣品所具備的拉伸模量沒有較大差距。

2.4 壓縮強度

以壓縮強度為檢測目標，分別對不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進行測試。檢測結果如圖4所示。

圖4 4種碳纖維乒乓板底壓縮強度Fig.4 Compression strength of four kinds of carbon fiber table tennis plate bottom

經檢測可知，傳統織物1 的壓縮強度為331.2MPa，傳統織物2 為151.9MPa；展纖織物1 的壓縮強度為409.4MPa，展纖織物2為418.8MPa。通過數據對比分析可知，在壓縮強度方面，展纖織物1、2都比傳統織物1、2更具備應用優勢。

2.5 壓縮模量

以壓縮模量為檢測目標，分別對不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進行測試。檢測結果如圖5所示。

圖5 4種碳纖維乒乓板底壓縮模量Fig.5 Compression modulus of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

傳統織物1 的壓縮壓縮模量為56.5Gpa，傳統織物2 為51.7Gpa；展纖織物1 的壓縮模量為53.1Gpa，展纖織物2 為58.2Gpa。通過數據對比分析可知，四種碳纖維輕量化織物樣品壓縮模量沒有產生較大差距，受制備方式及材料配比影響較小。

對碳纖維織物進行壓縮時，不同碳纖維底板材料所具備的纖維屈服形態直接決定相應材料壓縮強度的高低。但是，由于傳統織物樣品1、2 與展纖織物樣品1、2 相比，具備更大的紗線屈曲角，由于紗線屈曲角越大，對壓縮損傷的承載力越低，從而導致傳統織物比展纖織物的臨界載荷弱。另外，碳纖維這一高分子材料受體積分數的影響較大，碳纖維體積分數越小，抗壓縮強度就越低。已知展纖織物樣品1、2 的碳纖維體積分數比傳統織物樣品1、2 高，因此，前者具備更高的壓縮強度。在此基礎上，還可以進一步探究出傳統織物1、2 壓縮模量及強度有所不同的原因。盡管兩種傳統織物的紗線屈曲角沒有較大差距，但是傳統織物樣品1的密度較小，更容易在壓縮作用下出現裂紋或擴展，這一情況直接降低了織物的抗壓縮能力[6]。

2.6 破壞形態

以破壞形態為檢測內容，分別對不同制備方案的碳纖維乒乓球板底進行測試。碳纖維材料斷裂夾角如表2所示。

表2 碳纖維板材壓縮夾角Tab.2 Compression angle of carbon fiber sheet

結合表中數據可知，傳統織物1 的夾角較為分散，斷口與壓縮方向未形成相對一致的角度，出現這一問題的主要原因在于：傳統織物1中復合性材料與層次結構較多，碳纖維底板厚度方向中出現由多個應力集中點在壓縮過中受到破壞而產生的裂紋，且裂紋分布形態沒有規律，較為隨機。斷裂面呈鋸齒狀；傳統織物2與兩種展纖織物的斷裂面與壓縮承載方向表現出固定的形態，斷口與壓縮方向的夾角逐漸變高。傳統織物2的夾角角度與兩種展纖織物夾角角度小的主要原因在于：展纖織物的紗線屈曲角較小，在制備過程中，經紗與緯紗的交互點較少，有效控制板材中應力集中點的數量，這就使碳纖維板材斷裂面相對整齊[7]。

3 高分子輕量化乒乓球底板性能對青少年訓練影響分析

為有效測驗碳纖維高分子輕量化乒乓球板底對青少年相關技能的訓練是否起到一定作用，將按照不同年齡層，分為實驗組與對照組，對青少年乒乓球左推右攻、反手搓球以及正手拉球技術的穩定性測試結果進行獨立樣本T檢驗。

3.1 左推右攻技術穩定性

左推右攻技術術語轉換類技術，充分發揮此技術的作用需要熟練掌握正手攻球、反手攻球以及腳下移動的配合，協調配合自身肢體。考慮到低年齡段青少年技術尚未成型、耐力水平不足，在左推右攻技術穩定性測試過程中的適應性較差，特別是使用常規球拍的對照組學員，不適應性更加明顯，且失誤多出現在測驗中后階段。實驗均值為23.6 對照組為22.58，通過對獨立樣本的檢驗可以得出P＜0.05，表明實驗組與對照組的差異較大，且實驗組左推右攻技術比對照組更優[8]。

3.2 反手搓球技術穩定性

反手搓球屬于下旋球技術，與上旋球技術相比，前者動作幅度較小、發力較少，通過對球的控制進行穩定低齡青少年運動員耐力水平低，在長時間控球過程中容易疲勞，在反手搓球穩定性檢測中后階段中不適應性加強，使用常規球拍的對照組運動員表現出的不適應性更加明顯。低年齡運動員實驗組反手搓球技術實驗均值為33.76，對照組為32.09，P＜0.05，表明反手搓球訓練成效中實驗組明顯優于對照組[9]。

3.3 正手拉球技術穩定性

正手拉球同樣屬于下旋球技術，但是與上旋球相比，動作幅度偏大，且需要對球進行主動發力。在對低年齡正手拉球技術檢驗中，得出實驗組平均值為0.745，對照組為0.699，P＜0.05，即表明實驗組正手拉球技術比對照組更優。

結合上述信息，低年齡運動員未有效適應常規球拍，且表現出明顯的年齡特征。例如，在6~12 歲區間，青少年運動員身體發育成熟度較低，協調性與技術操控穩定性較差；在13~15歲區間，青少年各項身體技能開始逐漸增強，穩定性與協調性尚未表現出十分明顯的差異；在16~18歲區間，青少年運動員身體素質及技術水平都趨向于成年人，所以在技術測試中沒有較為明顯的差異。以上信息表示，只有根據運動員身體素質與技術水平的實際變化情況，科學合理的轉變輕量化乒乓球拍與常規球拍進行轉變，才能提高青少年訓練效果[10]。

4 結語

碳纖維輕量化乒乓球底板拉伸與壓縮性能均達到理想使用標準。通過青少年訓練影響檢測，可得出以下結論：輕量化乒乓球拍板底對技術的影響具有一定的年齡特征；青少年合理使用碳纖維輕量化乒乓球底板能夠提升技術穩定性與協調性；之后通過輕量化乒乓球拍與常規乒乓球拍的轉換，保證青少年對訓練具有良好適應性，以此輔助提高乒乓球技術水平。