(長安大學(xué)，陜西西安 710061)

為了更好地推動(dòng)世界乒乓球運(yùn)動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展，國際乒聯(lián)于2014年進(jìn)行了40+與新材料球的規(guī)則改革，標(biāo)志著乒乓球運(yùn)動(dòng)進(jìn)入了新球時(shí)代。與傳統(tǒng)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(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)知覺與膠皮相適性等方面均發(fā)生了明顯變化，必定為乒乓球運(yùn)動(dòng)發(fā)展帶來重大影響[1]。乒乓球底板作為影響該運(yùn)動(dòng)的重要因素，如何實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度高、耐熱性好以及優(yōu)良抗腐蝕性能的碳纖維復(fù)合材料在乒乓球底板中展現(xiàn)了較好的應(yīng)用前景，而作為考核關(guān)鍵指標(biāo)的摩擦學(xué)性能的研究仍然處于空白[3]，本文開展外加載荷和溫度對(duì)碳纖維乒乓球底板摩擦學(xué)性能的影響的研究，將有助于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用以及推動(dòng)乒乓球運(yùn)動(dòng)的健康發(fā)展。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)用碳纖維乒乓球底板為CCF300/BA9916-Ⅱ碳纖維復(fù)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(duì)磨材料為PH13-8Mo不銹鋼，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）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(yàn)機(jī)上進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)，共設(shè)置了表1所示的5種摩擦試驗(yàn)方案，試驗(yàn)前對(duì)碳纖維層合板試樣進(jìn)行酒精超聲清洗和吹干。

根據(jù)SQLite Expert Personal 軟件記錄摩擦試驗(yàn)過程中的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)并繪制成曲線；采用DP/AL104型分析電子天平對(duì)磨損前后的試樣進(jìn)行稱量并計(jì)算磨損量；摩擦磨損形貌采用ZEISS Sigma 300場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷

圖1為當(dāng)載荷分別為100N、150N和200N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線?？梢姡诓煌d荷條件下，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時(shí)間變化曲線相似，都表現(xiàn)為隨著磨損時(shí)間先急劇下降而后保持穩(wěn)定的特征，且載荷在100N和150N時(shí)穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)相近，并都高于載荷為200N時(shí)穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)。在前2000s時(shí)間范圍內(nèi)，不同載荷下碳纖維復(fù)合材料均處于跑合階段，摩擦系數(shù)會(huì)減小，而隨著摩擦磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，復(fù)合材料表面在磨損作用下形成了碳粉或者碳顆粒等物質(zhì)，從而對(duì)摩擦磨損起到了潤滑作用[4]，摩擦系數(shù)會(huì)減小并逐漸達(dá)到平衡而處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定階段，此時(shí)的變化幅度相對(duì)較小。

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

分別對(duì)載荷100N、150N和200N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損量進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2所示。在較低的載荷（100N）下，碳纖維復(fù)合材料的磨損量約為2.03mg；當(dāng)載荷增加至150N和200N時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別提高至3.37mg和3.52mg?？梢?，當(dāng)載荷從100N增加至150N時(shí)，磨損量增加幅度較大，而當(dāng)載荷從150N增加至200N時(shí)，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(zhì)對(duì)摩擦起到了潤滑作用有關(guān)[5]。

圖2 不同載荷條件下碳纖維復(fù)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(shí)碳纖維復(fù)合材料的表面磨損形貌?？梢?，在較低的載荷下，碳纖維復(fù)合材料表面由于往復(fù)摩擦而形成了細(xì)小磨屑，此時(shí)的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，但是同時(shí)也可以在局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)少量微動(dòng)裂紋存在。當(dāng)載荷增加至150N時(shí)，碳纖維復(fù)合材料表面有部分樹脂剝落現(xiàn)象，微動(dòng)裂紋數(shù)量增多，此時(shí)的磨損機(jī)制主要為疲勞磨損；載荷增加至200N時(shí)，碳纖維復(fù)合材料表面的樹脂剝落現(xiàn)象更加嚴(yán)重，且微動(dòng)裂紋數(shù)量增多，這主要是循環(huán)切應(yīng)力和真應(yīng)力共同作用的結(jié)果[6]，此時(shí)的磨損機(jī)制主要為疲勞磨損。

圖3 不同載荷條件下碳纖維復(fù)合材料的磨損形貌Fig. 3 Wear morphology of carbon f iber composites under different loading conditions

2.2 環(huán)境溫度

圖4為環(huán)境溫度為-25℃、0℃和25℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時(shí)間變化曲線。對(duì)比分析可見，碳纖維復(fù)合材料在25℃時(shí)摩擦系數(shù)最低，而降低溫度后復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大；在開始磨合階段，溫度為-25℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)下降較快，并在載荷為100N時(shí)出現(xiàn)-25℃摩擦系數(shù)小于0℃摩擦系數(shù)的特征，但是在載荷為200N時(shí)，溫度為-25℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)下降較慢，且一直都高于0℃和25℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。這主要是因?yàn)榈蜏馗咻d荷作用下，碳纖維復(fù)合材料的疲勞磨損會(huì)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(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平衡[7]。

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

圖5為環(huán)境溫度為-25℃、0℃和25℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損量測試結(jié)果，其中載荷分別為100N和200N?？梢姡S著溫度從25℃減小至-25℃，100N和200N載荷下的碳纖維復(fù)合材料的磨損量都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢；當(dāng)溫度為25℃時(shí)，載荷為100N和200N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別為1.33mg和2.03mg，而溫度為-25℃時(shí)，載荷為100N和200N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別增加至2.81mg和5.32mg?？梢姡瑴囟鹊慕档蜁?huì)增加載荷為100N和200N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損量。

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

圖6為環(huán)境溫度為-25℃、0℃和25℃時(shí)碳纖維復(fù)合材料的表面磨損形貌，右邊區(qū)域分別對(duì)應(yīng)圖6（a）～（d）中的方框的放大形貌。當(dāng)溫度為-25℃時(shí)，碳纖維復(fù)合材料表面剝落較為嚴(yán)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(dòng)裂紋；當(dāng)溫度增加至0℃時(shí)，碳纖維復(fù)合材料表面可見明顯的微動(dòng)裂紋，而剝落現(xiàn)象明顯減輕；在提高溫度至25℃時(shí)，碳纖維復(fù)合材料表面僅可見局部較淺的微動(dòng)裂紋，而剝落現(xiàn)象基本消失，這主要是因?yàn)檩^低溫度下會(huì)加速碳纖維復(fù)合材料的疲勞磨損，造成磨損量增大。從溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料磨損量和磨損形貌的測試結(jié)果來看，由于低溫下碳纖維復(fù)合材料會(huì)表現(xiàn)出一定脆性，因此剝落現(xiàn)象會(huì)加劇，且較低的溫度會(huì)使得復(fù)合材料中的樹脂基發(fā)生收縮從而增加碳纖維與基體的結(jié)合力并加劇磨損，另一個(gè)重要原因是低溫下產(chǎn)生的磨粒和磨屑的硬度會(huì)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(fù)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(jié)論

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

（2）在較低的載荷（100N）下，碳纖維復(fù)合材料的磨損量約為2.03mg；當(dāng)載荷增加至150N和200N時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別提高至3.37mg和3.52mg。載荷100N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，載荷增加至150N和200N時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的磨損機(jī)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(fù)合材料的磨損量都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢；當(dāng)溫度為25℃時(shí)，載荷為100N和200N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別為1.33mg和2.03mg，而溫度為-25℃時(shí)，載荷為100N和200N時(shí)碳纖維復(fù)合材料的磨損量分別增加至2.81mg和5.32mg。