高分子轻量化乒乓球底板性能分析及对青少年训练影响研究

高克莲，乔国宝

（1.榆林学院 体育学院，榆林 719000；2.榆林市体育运动学校，榆林 719000）

0 引言

当前科技水平不断提高，体育运动发展特征趋于先进化、科学化，创新研发体育器材及其相关材料，能够提升青少年基础训练条件，有效改进运动员体育发展水平，通过优化创新乒乓球板底材料引领青少年高水平专业训练成为新课题。本文旨在从碳纤维高分子轻量化乒乓球板底的性能分析基础上，论述轻量化乒乓球底板对青少年产生的实际训练成效。通过对两个碳纤维展纤机织试样及两个碳纤维传统机织试样进行性能检验，分别判断两种试样的拉伸与压缩程度，并对其断裂机理展开分析。基于上述关于材料性能的研究，有利于补充碳纤维高分子材料在轻量化乒乓球底板或相关领域的应用，保证青少年乒乓球训练方案的科学性与合理性。

1 高分子轻量化乒乓球底板用碳纤维材料制备性能研究

1.1 研究实施背景

高分子轻量化乒乓球板底属于专项课题《青少年乒乓球拍的研制与市场开发》中的主要创新成果。通过与专业底板生产制造厂家进行合作，选定使用木材，对乒乓球底板进行多次调试，确保其结构及相关材料的配比符合设计标准；由于青少年手型较小、手部抓握力较差，将乒乓球手柄设计为扭柄，此类型手柄更贴合青少年使用特征，保证乒乓球各方面性能指标相对平衡，具备良好弹性[1]。

1.2 试验部分

主要原料：环氧树脂，E51型，上海凯茵化工有限公司；碳纤维材料，T3001000-50B 型（强度3530MPa）、T700SC12000-50C（强度4900MPa），日本东丽株式会社。

将上述原料进行碳纤维乒乓球板底材料制备，相关物力参数如表1所示。4种不同类型板材中，有两种是通过传统碳纱制备的传统织物，另外两种是通过机械多辊筒展纤制备的展纤织物。此外，纤维包围角为81.2°，展纤速度设定为6m/min，加热温度设定为98℃。

表1 4种碳纤维高分子板底材料物理参数Tab.1 Physical parameters of four kinds of carbon fiber polymer substrate materials

基于ASTMD3039/D3039M-08《聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》，确定实验设备为微机控制电子万能试验机，型号为UTM5105，实验物品尺寸形状如图1a 所示。设备中的加强片为玻璃纤维复合板，实际厚度为2mm，试验机拉伸速率保持在2.5mm/min。基于ASTMD6641《聚合物基复合材料层压板压缩性能标准试验方法》，确定实验设备同上，尺寸形状如图1b所示[2-3]。

图1 碳纤维高分子乒乓球底板实验尺寸Fig.1 Experimental dimensions of carbon fiber polymer table tennis plate

2 结果与讨论

2.1 最大屈曲角

截取4种不同制备方法的碳纤维乒乓球板底材料样品截面，并将样品截面进行抛光打磨，之后通过光学显微镜对四种样品截面进行观测。同时，对经纱与纬纱交织所产生的最大屈曲角展开数据测量。结合实际观察与数据测量，可以得出：传统织物1 为9.5°、传统织物2 为10.7°、展纤织物1 为2.9°、展纤织物2为2.5°。由此可见，两种机织效果中，展纤机织的最大屈曲角比传统机织小[4]。

2.2 拉伸强度

以拉伸强度为检测目标。分别对不同制备方案的碳纤维乒乓球板底进行测试。检测结果如图2所示。

图2 4种碳纤维乒乓板底拉伸强度Fig.2 Tensile strength of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

拉伸强度实验检测中可知传统织物1 为599.8MPa，传统织物2 为818.8MPa，展纤织物1 为1056.3MPa，展纤织物2为1081.9MPa。通过拉伸强度数据对比，能够发现尽管具体制备配比存在差异，但是展纤机织比传统碳纱制备方法所制造出轻量化乒乓球板底拉伸强度更高。产生这一现象的原因在于：在传统织物样品中，由于经纱与纬纱相互交叉而产生的织点较多，难以发挥出织物结构的弹性作用，并出现应力集中，从而降低样品拉伸性能；而展纤织物中形成的纱线屈曲程度较小，充分发挥出纤维组织自身强度，同时在纤维体积分数高、厚度薄的基础上，有效提升展纤织物的抗拉伸负荷能力。此外，由于两个传统织物样品中，传统织物2的碳纤维含量比传统织物1高，所以传统织物2具备更高的拉伸强度[5]。

2.3 拉伸模量

以拉伸模量为检测目标，分别对不同制备方案的碳纤维乒乓球板底进行测试。检测结果如图3所示。

图3 4种碳纤维乒乓板底拉伸模量Fig.3 Tensile modulus of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

经检测可知，传统织物1 的拉伸模量为59.5Gpa，传统织物2 为60.1Gpa；展纤织物1 的拉伸模量为57.7Gpa，展现织物2 为60.5Gpa。通过数据对比分析可知，尽管拉伸强度有一定差距，但是两种展纤织物样品与传统织物样品所具备的拉伸模量没有较大差距。

2.4 压缩强度

以压缩强度为检测目标，分别对不同制备方案的碳纤维乒乓球板底进行测试。检测结果如图4所示。

图4 4种碳纤维乒乓板底压缩强度Fig.4 Compression strength of four kinds of carbon fiber table tennis plate bottom

经检测可知，传统织物1 的压缩强度为331.2MPa，传统织物2 为151.9MPa；展纤织物1 的压缩强度为409.4MPa，展纤织物2为418.8MPa。通过数据对比分析可知，在压缩强度方面，展纤织物1、2都比传统织物1、2更具备应用优势。

2.5 压缩模量

以压缩模量为检测目标，分别对不同制备方案的碳纤维乒乓球板底进行测试。检测结果如图5所示。

图5 4种碳纤维乒乓板底压缩模量Fig.5 Compression modulus of four types of carbon fiber table tennis plate bottom

传统织物1 的压缩压缩模量为56.5Gpa，传统织物2 为51.7Gpa；展纤织物1 的压缩模量为53.1Gpa，展纤织物2 为58.2Gpa。通过数据对比分析可知，四种碳纤维轻量化织物样品压缩模量没有产生较大差距，受制备方式及材料配比影响较小。

对碳纤维织物进行压缩时，不同碳纤维底板材料所具备的纤维屈服形态直接决定相应材料压缩强度的高低。但是，由于传统织物样品1、2 与展纤织物样品1、2 相比，具备更大的纱线屈曲角，由于纱线屈曲角越大，对压缩损伤的承载力越低，从而导致传统织物比展纤织物的临界载荷弱。另外，碳纤维这一高分子材料受体积分数的影响较大，碳纤维体积分数越小，抗压缩强度就越低。已知展纤织物样品1、2 的碳纤维体积分数比传统织物样品1、2 高，因此，前者具备更高的压缩强度。在此基础上，还可以进一步探究出传统织物1、2 压缩模量及强度有所不同的原因。尽管两种传统织物的纱线屈曲角没有较大差距，但是传统织物样品1的密度较小，更容易在压缩作用下出现裂纹或扩展，这一情况直接降低了织物的抗压缩能力[6]。

2.6 破坏形态

以破坏形态为检测内容，分别对不同制备方案的碳纤维乒乓球板底进行测试。碳纤维材料断裂夹角如表2所示。

表2 碳纤维板材压缩夹角Tab.2 Compression angle of carbon fiber sheet

结合表中数据可知，传统织物1 的夹角较为分散，断口与压缩方向未形成相对一致的角度，出现这一问题的主要原因在于：传统织物1中复合性材料与层次结构较多，碳纤维底板厚度方向中出现由多个应力集中点在压缩过中受到破坏而产生的裂纹，且裂纹分布形态没有规律，较为随机。断裂面呈锯齿状；传统织物2与两种展纤织物的断裂面与压缩承载方向表现出固定的形态，断口与压缩方向的夹角逐渐变高。传统织物2的夹角角度与两种展纤织物夹角角度小的主要原因在于：展纤织物的纱线屈曲角较小，在制备过程中，经纱与纬纱的交互点较少，有效控制板材中应力集中点的数量，这就使碳纤维板材断裂面相对整齐[7]。

3 高分子轻量化乒乓球底板性能对青少年训练影响分析

为有效测验碳纤维高分子轻量化乒乓球板底对青少年相关技能的训练是否起到一定作用，将按照不同年龄层，分为实验组与对照组，对青少年乒乓球左推右攻、反手搓球以及正手拉球技术的稳定性测试结果进行独立样本T检验。

3.1 左推右攻技术稳定性

左推右攻技术术语转换类技术，充分发挥此技术的作用需要熟练掌握正手攻球、反手攻球以及脚下移动的配合，协调配合自身肢体。考虑到低年龄段青少年技术尚未成型、耐力水平不足，在左推右攻技术稳定性测试过程中的适应性较差，特别是使用常规球拍的对照组学员，不适应性更加明显，且失误多出现在测验中后阶段。实验均值为23.6 对照组为22.58，通过对独立样本的检验可以得出P＜0.05，表明实验组与对照组的差异较大，且实验组左推右攻技术比对照组更优[8]。

3.2 反手搓球技术稳定性

反手搓球属于下旋球技术，与上旋球技术相比，前者动作幅度较小、发力较少，通过对球的控制进行稳定低龄青少年运动员耐力水平低，在长时间控球过程中容易疲劳，在反手搓球稳定性检测中后阶段中不适应性加强，使用常规球拍的对照组运动员表现出的不适应性更加明显。低年龄运动员实验组反手搓球技术实验均值为33.76，对照组为32.09，P＜0.05，表明反手搓球训练成效中实验组明显优于对照组[9]。

3.3 正手拉球技术稳定性

正手拉球同样属于下旋球技术，但是与上旋球相比，动作幅度偏大，且需要对球进行主动发力。在对低年龄正手拉球技术检验中，得出实验组平均值为0.745，对照组为0.699，P＜0.05，即表明实验组正手拉球技术比对照组更优。

结合上述信息，低年龄运动员未有效适应常规球拍，且表现出明显的年龄特征。例如，在6~12 岁区间，青少年运动员身体发育成熟度较低，协调性与技术操控稳定性较差；在13~15岁区间，青少年各项身体技能开始逐渐增强，稳定性与协调性尚未表现出十分明显的差异；在16~18岁区间，青少年运动员身体素质及技术水平都趋向于成年人，所以在技术测试中没有较为明显的差异。以上信息表示，只有根据运动员身体素质与技术水平的实际变化情况，科学合理的转变轻量化乒乓球拍与常规球拍进行转变，才能提高青少年训练效果[10]。

4 结语

碳纤维轻量化乒乓球底板拉伸与压缩性能均达到理想使用标准。通过青少年训练影响检测，可得出以下结论：轻量化乒乓球拍板底对技术的影响具有一定的年龄特征；青少年合理使用碳纤维轻量化乒乓球底板能够提升技术稳定性与协调性；之后通过轻量化乒乓球拍与常规乒乓球拍的转换，保证青少年对训练具有良好适应性，以此辅助提高乒乓球技术水平。