碳纤维乒乓球底板的制备与摩擦性能研究

(长安大学，陕西西安 710061)

为了更好地推动世界乒乓球运动的可持续发展，国际乒联于2014年进行了40+与新材料球的规则改革，标志着乒乓球运动进入了新球时代。与传统的赛璐璐有缝乒乓球相比，新球在体积、重量、弹性等物理特性及球感、手感等运动员运动知觉与胶皮相适性等方面均发生了明显变化，必定为乒乓球运动发展带来重大影响[1]。乒乓球底板作为影响该运动的重要因素，如何实现乒乓球器材与新球的器物相适性显得尤为重要[2]。具有比强度高、耐热性好以及优良抗腐蚀性能的碳纤维复合材料在乒乓球底板中展现了较好的应用前景，而作为考核关键指标的摩擦学性能的研究仍然处于空白[3]，本文开展外加载荷和温度对碳纤维乒乓球底板摩擦学性能的影响的研究，将有助于碳纤维复合材料的应用以及推动乒乓球运动的健康发展。

1 试验部分

试验用碳纤维乒乓球底板为CCF300/BA9916-Ⅱ碳纤维复合材料层合板，纤维面密度为132g/m2、树脂含量为32%、单层厚度1.3mm；对磨材料为PH13-8Mo不锈钢，化学成分（质量分数，%）为0.03Mn、0.62Si、12.78Cr、8.1Ni、2.4Mo、1.04Al，余量为Fe。将碳纤维层合板加工成20mm×10mm×3mm，在 FTM200 摩擦磨损试验机上进行微动磨损试验，共设置了表1所示的5种摩擦试验方案，试验前对碳纤维层合板试样进行酒精超声清洗和吹干。

根据SQLite Expert Personal 软件记录摩擦试验过程中的摩擦系数数据并绘制成曲线；采用DP/AL104型分析电子天平对磨损前后的试样进行称量并计算磨损量；摩擦磨损形貌采用ZEISS Sigma 300场发射扫描电子显微镜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 载荷

图1为当载荷分别为100N、150N和200N时碳纤维复合材料的摩擦系数随时间的变化曲线。可见，在不同载荷条件下，碳纤维复合材料的摩擦系数-时间变化曲线相似，都表现为随着磨损时间先急剧下降而后保持稳定的特征，且载荷在100N和150N时稳定阶段的摩擦系数相近，并都高于载荷为200N时稳定阶段的摩擦系数。在前2000s时间范围内，不同载荷下碳纤维复合材料均处于跑合阶段，摩擦系数会减小，而随着摩擦磨损试验的进行，复合材料表面在磨损作用下形成了碳粉或者碳颗粒等物质，从而对摩擦磨损起到了润滑作用[4]，摩擦系数会减小并逐渐达到平衡而处于一个相对稳定阶段，此时的变化幅度相对较小。

图1 不同载荷条件下碳纤维复合材料的摩擦系数随时间的变化曲线Fig. 1 Friction coefficient versus time of carbon f iber composites under different loads

分别对载荷100N、150N和200N时碳纤维复合材料的磨损量进行测试，结果如图2所示。在较低的载荷（100N）下，碳纤维复合材料的磨损量约为2.03mg；当载荷增加至150N和200N时，碳纤维复合材料的磨损量分别提高至3.37mg和3.52mg。可见，当载荷从100N增加至150N时，磨损量增加幅度较大，而当载荷从150N增加至200N时，磨损量增加幅度较小，这也与较大载荷下形成的碳粉或者碳颗粒等物质对摩擦起到了润滑作用有关[5]。

图2 不同载荷条件下碳纤维复合材料的磨损量Fig. 2 Wear loss of carbon f ibre composites under different loads

图3为载荷100N、150N和200N时碳纤维复合材料的表面磨损形貌。可见，在较低的载荷下，碳纤维复合材料表面由于往复摩擦而形成了细小磨屑，此时的磨损机制主要为磨粒磨损，但是同时也可以在局部区域发现少量微动裂纹存在。当载荷增加至150N时，碳纤维复合材料表面有部分树脂剥落现象，微动裂纹数量增多，此时的磨损机制主要为疲劳磨损；载荷增加至200N时，碳纤维复合材料表面的树脂剥落现象更加严重，且微动裂纹数量增多，这主要是循环切应力和真应力共同作用的结果[6]，此时的磨损机制主要为疲劳磨损。

图3 不同载荷条件下碳纤维复合材料的磨损形貌Fig. 3 Wear morphology of carbon f iber composites under different loading conditions

2.2 环境温度

图4为环境温度为-25℃、0℃和25℃时碳纤维复合材料的摩擦系数-时间变化曲线。对比分析可见，碳纤维复合材料在25℃时摩擦系数最低，而降低温度后复合材料的摩擦系数增大；在开始磨合阶段，温度为-25℃时碳纤维复合材料的摩擦系数下降较快，并在载荷为100N时出现-25℃摩擦系数小于0℃摩擦系数的特征，但是在载荷为200N时，温度为-25℃时碳纤维复合材料的摩擦系数下降较慢，且一直都高于0℃和25℃时碳纤维复合材料的摩擦系数。这主要是因为低温高载荷作用下，碳纤维复合材料的疲劳磨损会带来表面形成较多的剥落坑，并在大量润滑磨屑作用下摩擦系数实现稳定平衡[7]。

图4 不同温度条件下碳纤维复合材料的摩擦系数-时间变化曲线Fig. 4 Friction coefficient-time curve of carbon f iber composites at different temperatures

图5为环境温度为-25℃、0℃和25℃时碳纤维复合材料的磨损量测试结果，其中载荷分别为100N和200N。可见，随着温度从25℃减小至-25℃，100N和200N载荷下的碳纤维复合材料的磨损量都呈现逐渐升高的趋势；当温度为25℃时，载荷为100N和200N时碳纤维复合材料的磨损量分别为1.33mg和2.03mg，而温度为-25℃时，载荷为100N和200N时碳纤维复合材料的磨损量分别增加至2.81mg和5.32mg。可见，温度的降低会增加载荷为100N和200N时碳纤维复合材料的磨损量。

图5 不同温度条件下碳纤维复合材料的磨损量Fig. 5 Wear loss of carbon f iber composites at different temperatures

图6为环境温度为-25℃、0℃和25℃时碳纤维复合材料的表面磨损形貌，右边区域分别对应图6（a）～（d）中的方框的放大形貌。当温度为-25℃时，碳纤维复合材料表面剥落较为严重，较多的磨屑在磨痕中聚集，表面在外加载荷作用下形成了局部塑性变形和微动裂纹；当温度增加至0℃时，碳纤维复合材料表面可见明显的微动裂纹，而剥落现象明显减轻；在提高温度至25℃时，碳纤维复合材料表面仅可见局部较浅的微动裂纹，而剥落现象基本消失，这主要是因为较低温度下会加速碳纤维复合材料的疲劳磨损，造成磨损量增大。从温度对碳纤维复合材料磨损量和磨损形貌的测试结果来看，由于低温下碳纤维复合材料会表现出一定脆性，因此剥落现象会加剧，且较低的温度会使得复合材料中的树脂基发生收缩从而增加碳纤维与基体的结合力并加剧磨损，另一个重要原因是低温下产生的磨粒和磨屑的硬度会增大[8]，从而加速犁削作用并造成磨损量增大。

图6 不同温度条件下碳纤维复合材料的表面磨损形貌Fig. 6 Surface wear morphology of carbon f iber composites at different temperatures

3 结论

（1）在不同载荷条件下，碳纤维复合材料的摩擦系数-时间变化曲线相似，都表现为随着磨损时间先急剧下降而后保持稳定的特征，且载荷在100N和150N时稳定阶段的摩擦系数相近，并都高于载荷为200N时稳定阶段的摩擦系数。

（2）在较低的载荷（100N）下，碳纤维复合材料的磨损量约为2.03mg；当载荷增加至150N和200N时，碳纤维复合材料的磨损量分别提高至3.37mg和3.52mg。载荷100N时碳纤维复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损，载荷增加至150N和200N时，碳纤维复合材料的磨损机制主要为疲劳磨损。

（3）随着温度从25℃减小至-25℃，100N和200N载荷下的碳纤维复合材料的磨损量都呈现逐渐升高的趋势；当温度为25℃时，载荷为100N和200N时碳纤维复合材料的磨损量分别为1.33mg和2.03mg，而温度为-25℃时，载荷为100N和200N时碳纤维复合材料的磨损量分别增加至2.81mg和5.32mg。