基于主成分评价法的竹木旱滑板面板力学性能综合评价

郑海军，顾少华，李琪微，张文福,2，王戈，程海涛*

(1. 国际竹藤中心，北京 100102； 2. 浙江省林业科学研究院，杭州 310023)

随着旱滑板运动被纳入东京奥运会竞赛项目，人们对旱滑板的需求与日俱增。目前，市场上流行的旱滑板面板材料主要为枫木、桦木和竹材等[1]。旱滑板面板作为旱滑板的重要部件，其力学性能决定了旱滑板的适用性和安全性，而市售旱滑板面板的物理力学性能，包括弯曲性能、抗冲击性能和剪切性能都存在较大差异[2-5]，给人们选购旱滑板带来诸多不便，也给厂家在产品设计时的性能区分带来了困惑。然而，关于旱滑板面板的力学性能相关研究较少，而且仅有的旱滑板团体标准T/CSGF 003—2018《滑板》也未对旱滑板面板力学性能提出要求和规定，使得目前旱滑板面板材料、结构和性能之间的科学性协调和精准性设计无法实现。

鉴于此，笔者以8种市售旱滑板面板为研究对象，对其物理力学性能、断裂形貌进行研究，同时，利用主成分分析法对旱滑板面板的材料、结构、性能、价格之间的关系进行探讨，旨在为竹木旱滑板面板明确产品价格与性能的对应关系，对旱滑板面板的科学性设计和选购具有十分重要的意义，为旱滑板面板规范市场、制定标准提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据市场销量对杭州玛萨体育用品有限公司、上海易飞体育用品有限公司和扬州鲲鹏体育器材有限公司等厂家的旱滑板产品，按照材料、价格和结构选取了以下8种具有代表性的旱滑板面板，如图1所示。8种旱滑板面板都是竹木类材质的面板，其中A(20元)、B(75元)是纯木质旱滑板面板，C(100元)、D(160元)、G(240元)是竹材增强的木质旱滑板面板，E(180元)是玻纤布增强表层的木质旱滑板面板，F(200元)、H(260元)是玻纤增强的竹质旱滑板面板。

图1 旱滑板面板材料及结构示意图Fig. 1 Materials and structural diagrams of dry skateboard face panels

1.2 仪器设备

体式显微镜、厚度仪、电子数显卡尺、力学试验机(INSTRON5582型，美国Instron Company)、全数字落锤冲击试验机(Instron dynatup9250HV型，美国Instron Company)、场发射环境扫描电镜(ESEM，XL30 FEG型，美国FEI Company)等。

1.3 性能测试和结构表征

密度和弯曲性能参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能测试方法》进行测试，其中弯曲加载速率为4 mm/min；剪切性能参照GB/T 20241—2006《单板层积材》进行测试，速率为2 mm/min；冲击性能参照ASTM D143-2014“Standard test methods for small clear specimens of timber”中三点弯曲冲击试验方案进行测试，跨距为16倍厚度，冲击能量100 J，样本数为3。剪切试样在真空条件下喷金后，采用ESEM观察其形貌。

1.4 综合评价

使用极差变换法标准化数据，使用KMO和巴特利特球形度对各指标的相关性进行分析，使用IBM SPSS Statistics进行主成分分析和综合评价。

图2 旱滑板面板弹性模量和静曲强度Fig. 2 Elastic moduli and static bending strengths of dry skateboard face panels

2 结果与分析

2.1 旱滑板面板密度

旱滑板面板的基本物理性能见表1。从表1可以看出，旱滑板面板的层数都在5～8层，大都采用奇数层原则。旱滑板面板的厚度为9.40～12.28 mm，其中，使用竹材增强的木质旱滑板面板C、D、G的厚度都在11 mm以上，而利用玻纤增强的木质旱滑板面板和竹质旱滑板面板厚度都在10 mm左右。因此，玻纤的引入降低了旱滑板面板的厚度。

表1 旱滑板面板的基本物理性能Table 1 Basic physical performance of dry skateboard face panels

由表1可知，旱滑板面板的密度为0.69～0.90 g/cm3。在纯木质旱滑板面板中，采用加拿大枫木制备的旱滑板面板B的密度与采用中国枫木制备的旱滑板面板A的密度相差较大，这是因为2种枫木自身密度存在差异。旱滑板面板A与E都是7层结构，但是旱滑板面板E的表层被替换为玻纤，使得其密度达到了0.90 g/cm3，说明表层铺装玻纤可使旱滑板面板密度得到明显增加，然而，由于作为中间层的玻纤不需要兼顾表层玻纤的耐磨性能，所以旱滑板面板F、H的密度提升不明显，这与文献[6]的表述一致。与纯木质旱滑板面板A的密度相比，采用竹材增强的木质旱滑板面板C、D、G的密度排序为面板C<面板G≤面板D，这是因为旱滑板面板C为1层竹材，而旱滑板面板D和G均为2层竹材。因此，随着竹材层数的增加，密度逐渐增加。

2.2 旱滑板面板弯曲性能

不同材料和组坯结构对旱滑板面板横向静曲强度和弹性模量的影响见图2a。由图2a可知，采用竹材增强的木质旱滑板面板C、D、G的横向静曲强度和弹性模量明显高于纯木质旱滑板面板A、B，可见竹材对于旱滑板面板的横向弯曲性能增强明显。采用玻纤布增强的旱滑板面板E的横向静曲强度和弹性模量处于最高水平，分别为76.47 MPa和4.77 GPa，说明玻纤织物可显著提升纯木质旱滑板面板的横向弯曲性能。此外，当层数不同、结构相似时，与采用竹材增强的5层木质旱滑板面板G相比，含6层木质旱滑板面板D的静曲强度和弹性模量分别提升了60.23%和58.94%，可见旱滑板面板层数对其横向弯曲性能具有重要影响。

旱滑板面板的纵向静曲强度和弹性模量见图2b。可以看出，与横向弯曲性能趋势一致，旱滑板面板E的纵向静曲强度和弹性模量最高，分别为206.2 MPa和16.23 GPa，这说明玻纤可明显提升纯木质旱滑板面板的纵向弯曲性能。与旱滑板面板B相比：旱滑板面板E的纵向静曲强度和弹性模量分别增加了102.4%和44.65%；旱滑板面板C的静曲强度和弹性模量分别降低了12.99%和8.83%。这可能是因为木材的模量高于竹材，且旱滑板面板C是8层结构，中间胶层受到最大的剪应力，从而导致旱滑板面板C的静曲强度降低。此外，旱滑板面板D的横向和纵向弯曲性能差异最小，这是因为旱滑板面板D的横向铺层数量接近纵向铺层。

2.3 旱滑板面板剪切性能

胶层剪切强度反映了旱滑板面板层间结合的牢固程度，胶层剪切强度越大则制备工艺越优异。旱滑板面板的胶层剪切强度见图3。由图3可知，旱滑板面板的横向和纵向剪切强度呈现相似的变化趋势，其中，旱滑板面板E、F、H都添加了玻纤织物，其纵向剪切强度明显高于其他旱滑板面板，可见玻纤织物能显著改善旱滑板面板的层间界面结合[7]。旱滑板面板E的ESEM图像见图4。由图4可以看出，玻纤正交织物增强木质胶合板在剪切过程中发生了纤维断裂、纤维拔出和界面剥离等。

图3 旱滑板面板胶层剪切强度Fig. 3 Bonding shear strengths of dry skateboard face panels

图4 旱滑板面板E的ESEM图像Fig. 4 ESEM image of dry skateboard face panel E

此外，由于旱滑板面板E的密度相对较大，其横向和纵向剪切强度最大，这与文献[8]中的描述一致。从图3还可以看出，旱滑板面板C的纵向和横向剪切强度均最低，这是因为旱滑板面板C是采用竹材增强的木质旱滑板面板，而竹材和木材表面结构和纤维排列方式有较大差异，使得两者间界面结合较差[9]，从而导致旱滑板面板C无论是横向还是纵向剪切强度都最低。旱滑板面板A的纵向和横向剪切强度具有较大差异，这可能是与旱滑板面板A只有两层横向层的组坯结构有关。

2.4 旱滑板面板冲击性能

旱滑板面板的冲击韧性见图5。由图5可以看出，不同类型旱滑板面板受冲击载荷时，采用竹材增强的木质旱滑板面板的冲击韧性普遍高于纯木质旱滑板面板。可见，在受到冲击载荷的过程中，采用竹材增强的木质旱滑板面板表层发生受拉断裂破坏，但由于竹材的高韧性作用，吸收了更多能量，增强了其承受冲击载荷的能力。

图5 旱滑板面板纵向冲击韧性Fig. 5 Longitudinal impact toughness of dry skateboard face panels

旱滑板面板G的冲击韧性是E的2倍，这是因为旱滑板面板E的玻纤层在表面，当受到冲击载荷时，最先产生破坏的是木质下表层[10-12]，所以旱滑板面板E的耐冲击性能明显低于G。此外，含有竹材的旱滑板面板C、D、F、G、H变异性明显大于其他旱滑板面板，说明竹条在制备成竹板时可能没有经过分级，所以同一块竹板中不同位置的性能存在较大差异。

旱滑板面板受到冲击时的载荷、能量与时间曲线见图6(以旱滑板面板A、D、E、G作为代表)。从时间-载荷曲线可以看出：旱滑板面板在刚与落锤接触时发生弯曲变形，出现局部破坏，导致载荷瞬时下降；随后落锤继续下降，导致旱滑板面板产生的弯曲变形继续增加，在此过程中，旱滑板面板的反作用使得冲击载荷曲线呈波浪式逐渐递减[12]。

从时间-能量曲线可以看出，在能量吸收阶段，随着时间的延长，旱滑板面板吸收的能量越来越大，随后逐渐趋于稳定[13]。旱滑板面板A在冲击破坏过程中吸收的总冲击能量比E高33.7%，说明旱滑板面板A在受到冲击载荷时发生分层和完全破坏，因此，旱滑板面板A吸收了更多的冲击总能量，具有更好的耐冲击性能。由于表层玻纤的作用[14]，旱滑板面板E所达到的最大载荷高于A；旱滑板面板D的组坯结构为6层纵向和2层横向，当受到冲击载荷时，裂纹扩展多表现为沿纤维方向的纵向开裂，因此能量吸收较低；旱滑板面板G采用7层纵横交错式的组坯结构，有效抑制了裂纹扩展，使得应力集中于材料本身而不是胶层上，增强了载荷传递作用，从而导致旱滑板面板G需要吸收较多冲击能量才能发生断裂[15]。

图6 载荷、能量与时间曲线Fig. 6 Load, energy and time curves

2.5 旱滑板面板性能的综合评价

2.5.1 指标构建

评定滑板的综合性能，除了力学性能，还要考虑其价格和密度(轻质)。由于滑板的纵向力学性能数倍于横向力学性能，而在实际使用中常常是由于横向力学性能不足造成滑板开裂及分层，从而影响了使用寿命。因此，采用横向静曲强度(X1)、横向剪切强度(X2)、纵向冲击韧性(X3)、价格(X4)以及密度(X5)作为指标对旱滑板面板进行综合评价。

在这些指标中，旱滑板面板的弯曲强度和冲击韧性是正向评价指标，价格和密度是负向评价指标，且各个性能之间有不同的性质和量纲，因此采用极差变换的方法(式1和2)标准化处理原始数据[16]，进行模糊聚类，如表2所示。

(1)

(2)

表2 旱滑板面板标准化性能指标Table 2 Standardized performance metrics of dry skateboard face panels

2.5.2 主成分分析

首先检验评价指标的相关性，再通过巴特利特球形度检验，判断Sig值与KMO值。相关性矩阵表明，变量间具有相关性，可作为指标对旱滑板面板进行综合评价。经巴特利特球形度检验，KMO值为0.544，大于临界值0.5，可以进行主成分分析；显著性为0.000，小于0.05，适合进行主成分分析[17]。

主成分分析结果如表3所示。由表3可知，前两个主成分特征值大于1，解释了全部方差的93.734%，可见以这2个主成分对旱滑板面板的综合评价是可靠的。由此根据主成分初始特征值和成分矩阵系数求解各个指标系数，可以得到2个线性组合Y1和Y2：

Y1=0.561X1+0.535X2-0.507X5-0.225X4-0.301X3

(3)

Y2=0.09X1+0.158X2+0.192X5-0.705X4+0.658X3

(4)

Y1的方差贡献率为61.115%，主要与横向静曲强度、横向剪切强度这2个指标有关，可以用来评价旱滑板面板的弯曲性能和界面性能。Y2的方差贡献率为32.619%，主要和冲击韧性有关，可评价旱滑板面板的抗冲击性能。

表3 主成分分析结果(总方差解释)Table 3 Analysis of the main components (explanation of total variance)

根据标准化后的各指标值与上述线性组合以及总计载荷值求出各主成分得分y1和y2，再以各主成分的方差百分比作为系数求得旱滑板面板的综合得分，并得到排名，如表4所示。

表4 主成分得分与综合得分Table 4 Main component scores and comprehensive scores

在y1得分中，旱滑板面板E的得分大于1，说明旱滑板面板E的弯曲性能和界面性能较高；在y2得分中，旱滑板面板G、F、H的得分均大于0.5，说明这3种旱滑板面板具有良好的抗冲击性能。综合来看，100～200元的旱滑板面板D、E、F得分较高，说明3种旱滑板面板的价格与综合性能的平衡较好，性价比最高；200元以上的旱滑板面板G、H综合得分中等，说明还可以在工艺和材料方面进行优化，以降低成本；0～100元的旱滑板面板A、B、C虽然价格低廉，但是性能较弱，因此性价比较低。

3 结 论

旱滑板运动正处于高速发展阶段，旱滑板市场潜力巨大，制备技术前景乐观。竹/木旱滑板未来将向高强、高韧以及产品性能定制化的方向发展，应依据产品性能做好分级和价格区间定位；同时，应加大对竹材分级的研究，使得竹板质量均一，提升产品稳定性；玻纤的引入对降低旱滑板面板厚度、提升旱滑板面板力学性能作用明显，但由于玻纤不可回收、难降解，环境负面影响较突出，未来应通过制备工艺优化和技术革新，使生物质材料部分替代玻纤应用于旱滑板面板，以满足国家“碳中和、碳达峰”目标。

1)采用竹材增强的木质旱滑板面板，随着层数的增加，旱滑板面板D的横向静曲强度和弹性模量相对于G分别提升了60.23%和58.94%；随着竹材层数的增加，其密度逐渐增大至0.78 g/cm3；竹材可明显提升木质旱滑板面板的冲击韧性；由于竹木复合界面结合不良，竹木旱滑板面板的剪切性能低于其他旱滑板面板。

2)采用玻纤增强的竹或木质旱滑板面板，其横向、纵向静曲强度和弹性模量都有明显提升，最高分别为76.47 MPa、4.77 GPa和206.2 MPa、16.23 GPa；厚度降低，但密度提升明显，其中旱滑板面板E的厚度最小(9.40 mm)，密度最大(0.90 g/cm3)；玻纤增强的旱滑板面板剪切性能整体高于其他旱滑板面板，且具有最大的冲击韧性。

3)基于主成分分析综合评价，目前市场上100元以下的旱滑板面板综合性能最低，200元以上的旱滑板面板力学性能适中，100～200元的旱滑板面板力学性能最优，性价比最高。