基于主成分評價(jià)法的竹木旱滑板面板力學(xué)性能綜合評價(jià)

鄭海軍，顧少華，李琪微，張文福,2，王戈，程海濤*

(1. 國際竹藤中心，北京 100102； 2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，杭州 310023)

隨著旱滑板運(yùn)動(dòng)被納入東京奧運(yùn)會(huì)競賽項(xiàng)目，人們對旱滑板的需求與日俱增。目前，市場上流行的旱滑板面板材料主要為楓木、樺木和竹材等[1]。旱滑板面板作為旱滑板的重要部件，其力學(xué)性能決定了旱滑板的適用性和安全性，而市售旱滑板面板的物理力學(xué)性能，包括彎曲性能、抗沖擊性能和剪切性能都存在較大差異[2-5]，給人們選購旱滑板帶來諸多不便，也給廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的性能區(qū)分帶來了困惑。然而，關(guān)于旱滑板面板的力學(xué)性能相關(guān)研究較少，而且僅有的旱滑板團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSGF 003—2018《滑板》也未對旱滑板面板力學(xué)性能提出要求和規(guī)定，使得目前旱滑板面板材料、結(jié)構(gòu)和性能之間的科學(xué)性協(xié)調(diào)和精準(zhǔn)性設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)。

鑒于此，筆者以8種市售旱滑板面板為研究對象，對其物理力學(xué)性能、斷裂形貌進(jìn)行研究，同時(shí)，利用主成分分析法對旱滑板面板的材料、結(jié)構(gòu)、性能、價(jià)格之間的關(guān)系進(jìn)行探討，旨在為竹木旱滑板面板明確產(chǎn)品價(jià)格與性能的對應(yīng)關(guān)系，對旱滑板面板的科學(xué)性設(shè)計(jì)和選購具有十分重要的意義，為旱滑板面板規(guī)范市場、制定標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)市場銷量對杭州瑪薩體育用品有限公司、上海易飛體育用品有限公司和揚(yáng)州鯤鵬體育器材有限公司等廠家的旱滑板產(chǎn)品，按照材料、價(jià)格和結(jié)構(gòu)選取了以下8種具有代表性的旱滑板面板，如圖1所示。8種旱滑板面板都是竹木類材質(zhì)的面板，其中A(20元)、B(75元)是純木質(zhì)旱滑板面板，C(100元)、D(160元)、G(240元)是竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板，E(180元)是玻纖布增強(qiáng)表層的木質(zhì)旱滑板面板，F(xiàn)(200元)、H(260元)是玻纖增強(qiáng)的竹質(zhì)旱滑板面板。

圖1 旱滑板面板材料及結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Materials and structural diagrams of dry skateboard face panels

1.2 儀器設(shè)備

體式顯微鏡、厚度儀、電子數(shù)顯卡尺、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(INSTRON5582型，美國Instron Company)、全數(shù)字落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(Instron dynatup9250HV型，美國Instron Company)、場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡(ESEM，XL30 FEG型，美國FEI Company)等。

1.3 性能測試和結(jié)構(gòu)表征

密度和彎曲性能參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能測試方法》進(jìn)行測試，其中彎曲加載速率為4 mm/min；剪切性能參照GB/T 20241—2006《單板層積材》進(jìn)行測試，速率為2 mm/min；沖擊性能參照ASTM D143-2014“Standard test methods for small clear specimens of timber”中三點(diǎn)彎曲沖擊試驗(yàn)方案進(jìn)行測試，跨距為16倍厚度，沖擊能量100 J，樣本數(shù)為3。剪切試樣在真空條件下噴金后，采用ESEM觀察其形貌。

1.4 綜合評價(jià)

使用極差變換法標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，使用KMO和巴特利特球形度對各指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，使用IBM SPSS Statistics進(jìn)行主成分分析和綜合評價(jià)。

圖2 旱滑板面板彈性模量和靜曲強(qiáng)度Fig. 2 Elastic moduli and static bending strengths of dry skateboard face panels

2 結(jié)果與分析

2.1 旱滑板面板密度

旱滑板面板的基本物理性能見表1。從表1可以看出，旱滑板面板的層數(shù)都在5～8層，大都采用奇數(shù)層原則。旱滑板面板的厚度為9.40～12.28 mm，其中，使用竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板C、D、G的厚度都在11 mm以上，而利用玻纖增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板和竹質(zhì)旱滑板面板厚度都在10 mm左右。因此，玻纖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，旱滑板面板的密度為0.69～0.90 g/cm3。在純木質(zhì)旱滑板面板中，采用加拿大楓木制備的旱滑板面板B的密度與采用中國楓木制備的旱滑板面板A的密度相差較大，這是因?yàn)?種楓木自身密度存在差異。旱滑板面板A與E都是7層結(jié)構(gòu)，但是旱滑板面板E的表層被替換為玻纖，使得其密度達(dá)到了0.90 g/cm3，說明表層鋪裝玻纖可使旱滑板面板密度得到明顯增加，然而，由于作為中間層的玻纖不需要兼顧表層玻纖的耐磨性能，所以旱滑板面板F、H的密度提升不明顯，這與文獻(xiàn)[6]的表述一致。與純木質(zhì)旱滑板面板A的密度相比，采用竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板C、D、G的密度排序?yàn)槊姘錍<面板G≤面板D，這是因?yàn)楹祷迕姘錍為1層竹材，而旱滑板面板D和G均為2層竹材。因此，隨著竹材層數(shù)的增加，密度逐漸增加。

2.2 旱滑板面板彎曲性能

不同材料和組坯結(jié)構(gòu)對旱滑板面板橫向靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響見圖2a。由圖2a可知，采用竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板C、D、G的橫向靜曲強(qiáng)度和彈性模量明顯高于純木質(zhì)旱滑板面板A、B，可見竹材對于旱滑板面板的橫向彎曲性能增強(qiáng)明顯。采用玻纖布增強(qiáng)的旱滑板面板E的橫向靜曲強(qiáng)度和彈性模量處于最高水平，分別為76.47 MPa和4.77 GPa，說明玻纖織物可顯著提升純木質(zhì)旱滑板面板的橫向彎曲性能。此外，當(dāng)層數(shù)不同、結(jié)構(gòu)相似時(shí)，與采用竹材增強(qiáng)的5層木質(zhì)旱滑板面板G相比，含6層木質(zhì)旱滑板面板D的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別提升了60.23%和58.94%，可見旱滑板面板層數(shù)對其橫向彎曲性能具有重要影響。

旱滑板面板的縱向靜曲強(qiáng)度和彈性模量見圖2b。可以看出，與橫向彎曲性能趨勢一致，旱滑板面板E的縱向靜曲強(qiáng)度和彈性模量最高，分別為206.2 MPa和16.23 GPa，這說明玻纖可明顯提升純木質(zhì)旱滑板面板的縱向彎曲性能。與旱滑板面板B相比：旱滑板面板E的縱向靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別增加了102.4%和44.65%；旱滑板面板C的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別降低了12.99%和8.83%。這可能是因?yàn)槟静牡哪Ａ扛哂谥癫?，且旱滑板面板C是8層結(jié)構(gòu)，中間膠層受到最大的剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致旱滑板面板C的靜曲強(qiáng)度降低。此外，旱滑板面板D的橫向和縱向彎曲性能差異最小，這是因?yàn)楹祷迕姘錎的橫向鋪層數(shù)量接近縱向鋪層。

2.3 旱滑板面板剪切性能

膠層剪切強(qiáng)度反映了旱滑板面板層間結(jié)合的牢固程度，膠層剪切強(qiáng)度越大則制備工藝越優(yōu)異。旱滑板面板的膠層剪切強(qiáng)度見圖3。由圖3可知，旱滑板面板的橫向和縱向剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)相似的變化趨勢，其中，旱滑板面板E、F、H都添加了玻纖織物，其縱向剪切強(qiáng)度明顯高于其他旱滑板面板，可見玻纖織物能顯著改善旱滑板面板的層間界面結(jié)合[7]。旱滑板面板E的ESEM圖像見圖4。由圖4可以看出，玻纖正交織物增強(qiáng)木質(zhì)膠合板在剪切過程中發(fā)生了纖維斷裂、纖維拔出和界面剝離等。

圖3 旱滑板面板膠層剪切強(qiáng)度Fig. 3 Bonding shear strengths of dry skateboard face panels

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

此外，由于旱滑板面板E的密度相對較大，其橫向和縱向剪切強(qiáng)度最大，這與文獻(xiàn)[8]中的描述一致。從圖3還可以看出，旱滑板面板C的縱向和橫向剪切強(qiáng)度均最低，這是因?yàn)楹祷迕姘錍是采用竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板，而竹材和木材表面結(jié)構(gòu)和纖維排列方式有較大差異，使得兩者間界面結(jié)合較差[9]，從而導(dǎo)致旱滑板面板C無論是橫向還是縱向剪切強(qiáng)度都最低。旱滑板面板A的縱向和橫向剪切強(qiáng)度具有較大差異，這可能是與旱滑板面板A只有兩層橫向?qū)拥慕M坯結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.4 旱滑板面板沖擊性能

旱滑板面板的沖擊韌性見圖5。由圖5可以看出，不同類型旱滑板面板受沖擊載荷時(shí)，采用竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板的沖擊韌性普遍高于純木質(zhì)旱滑板面板?？梢?，在受到?jīng)_擊載荷的過程中，采用竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板表層發(fā)生受拉斷裂破壞，但由于竹材的高韌性作用，吸收了更多能量，增強(qiáng)了其承受沖擊載荷的能力。

圖5 旱滑板面板縱向沖擊韌性Fig. 5 Longitudinal impact toughness of dry skateboard face panels

旱滑板面板G的沖擊韌性是E的2倍，這是因?yàn)楹祷迕姘錏的玻纖層在表面，當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)，最先產(chǎn)生破壞的是木質(zhì)下表層[10-12]，所以旱滑板面板E的耐沖擊性能明顯低于G。此外，含有竹材的旱滑板面板C、D、F、G、H變異性明顯大于其他旱滑板面板，說明竹條在制備成竹板時(shí)可能沒有經(jīng)過分級，所以同一塊竹板中不同位置的性能存在較大差異。

旱滑板面板受到?jīng)_擊時(shí)的載荷、能量與時(shí)間曲線見圖6(以旱滑板面板A、D、E、G作為代表)。從時(shí)間-載荷曲線可以看出：旱滑板面板在剛與落錘接觸時(shí)發(fā)生彎曲變形，出現(xiàn)局部破壞，導(dǎo)致載荷瞬時(shí)下降；隨后落錘繼續(xù)下降，導(dǎo)致旱滑板面板產(chǎn)生的彎曲變形繼續(xù)增加，在此過程中，旱滑板面板的反作用使得沖擊載荷曲線呈波浪式逐漸遞減[12]。

從時(shí)間-能量曲線可以看出，在能量吸收階段，隨著時(shí)間的延長，旱滑板面板吸收的能量越來越大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定[13]。旱滑板面板A在沖擊破壞過程中吸收的總沖擊能量比E高33.7%，說明旱滑板面板A在受到?jīng)_擊載荷時(shí)發(fā)生分層和完全破壞，因此，旱滑板面板A吸收了更多的沖擊總能量，具有更好的耐沖擊性能。由于表層玻纖的作用[14]，旱滑板面板E所達(dá)到的最大載荷高于A；旱滑板面板D的組坯結(jié)構(gòu)為6層縱向和2層橫向，當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)，裂紋擴(kuò)展多表現(xiàn)為沿纖維方向的縱向開裂，因此能量吸收較低；旱滑板面板G采用7層縱橫交錯(cuò)式的組坯結(jié)構(gòu)，有效抑制了裂紋擴(kuò)展，使得應(yīng)力集中于材料本身而不是膠層上，增強(qiáng)了載荷傳遞作用，從而導(dǎo)致旱滑板面板G需要吸收較多沖擊能量才能發(fā)生斷裂[15]。

圖6 載荷、能量與時(shí)間曲線Fig. 6 Load, energy and time curves

2.5 旱滑板面板性能的綜合評價(jià)

2.5.1 指標(biāo)構(gòu)建

評定滑板的綜合性能，除了力學(xué)性能，還要考慮其價(jià)格和密度(輕質(zhì))。由于滑板的縱向力學(xué)性能數(shù)倍于橫向力學(xué)性能，而在實(shí)際使用中常常是由于橫向力學(xué)性能不足造成滑板開裂及分層，從而影響了使用壽命。因此，采用橫向靜曲強(qiáng)度(X1)、橫向剪切強(qiáng)度(X2)、縱向沖擊韌性(X3)、價(jià)格(X4)以及密度(X5)作為指標(biāo)對旱滑板面板進(jìn)行綜合評價(jià)。

在這些指標(biāo)中，旱滑板面板的彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性是正向評價(jià)指標(biāo)，價(jià)格和密度是負(fù)向評價(jià)指標(biāo)，且各個(gè)性能之間有不同的性質(zhì)和量綱，因此采用極差變換的方法(式1和2)標(biāo)準(zhǔn)化處理原始數(shù)據(jù)[16]，進(jìn)行模糊聚類，如表2所示。

(1)

(2)

表2 旱滑板面板標(biāo)準(zhǔn)化性能指標(biāo)Table 2 Standardized performance metrics of dry skateboard face panels

2.5.2 主成分分析

首先檢驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性，再通過巴特利特球形度檢驗(yàn)，判斷Sig值與KMO值。相關(guān)性矩陣表明，變量間具有相關(guān)性，可作為指標(biāo)對旱滑板面板進(jìn)行綜合評價(jià)。經(jīng)巴特利特球形度檢驗(yàn)，KMO值為0.544，大于臨界值0.5，可以進(jìn)行主成分分析；顯著性為0.000，小于0.05，適合進(jìn)行主成分分析[17]。

主成分分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，前兩個(gè)主成分特征值大于1，解釋了全部方差的93.734%，可見以這2個(gè)主成分對旱滑板面板的綜合評價(jià)是可靠的。由此根據(jù)主成分初始特征值和成分矩陣系數(shù)求解各個(gè)指標(biāo)系數(shù)，可以得到2個(gè)線性組合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的方差貢獻(xiàn)率為61.115%，主要與橫向靜曲強(qiáng)度、橫向剪切強(qiáng)度這2個(gè)指標(biāo)有關(guān)，可以用來評價(jià)旱滑板面板的彎曲性能和界面性能。Y2的方差貢獻(xiàn)率為32.619%，主要和沖擊韌性有關(guān)，可評價(jià)旱滑板面板的抗沖擊性能。

表3 主成分分析結(jié)果(總方差解釋)Table 3 Analysis of the main components (explanation of total variance)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)值與上述線性組合以及總計(jì)載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為系數(shù)求得旱滑板面板的綜合得分，并得到排名，如表4所示。

表4 主成分得分與綜合得分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，說明旱滑板面板E的彎曲性能和界面性能較高；在y2得分中，旱滑板面板G、F、H的得分均大于0.5，說明這3種旱滑板面板具有良好的抗沖擊性能。綜合來看，100～200元的旱滑板面板D、E、F得分較高，說明3種旱滑板面板的價(jià)格與綜合性能的平衡較好，性價(jià)比最高；200元以上的旱滑板面板G、H綜合得分中等，說明還可以在工藝和材料方面進(jìn)行優(yōu)化，以降低成本；0～100元的旱滑板面板A、B、C雖然價(jià)格低廉，但是性能較弱，因此性價(jià)比較低。

3 結(jié) 論

旱滑板運(yùn)動(dòng)正處于高速發(fā)展階段，旱滑板市場潛力巨大，制備技術(shù)前景樂觀。竹/木旱滑板未來將向高強(qiáng)、高韌以及產(chǎn)品性能定制化的方向發(fā)展，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品性能做好分級和價(jià)格區(qū)間定位；同時(shí)，應(yīng)加大對竹材分級的研究，使得竹板質(zhì)量均一，提升產(chǎn)品穩(wěn)定性；玻纖的引入對降低旱滑板面板厚度、提升旱滑板面板力學(xué)性能作用明顯，但由于玻纖不可回收、難降解，環(huán)境負(fù)面影響較突出，未來應(yīng)通過制備工藝優(yōu)化和技術(shù)革新，使生物質(zhì)材料部分替代玻纖應(yīng)用于旱滑板面板，以滿足國家“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)。

1)采用竹材增強(qiáng)的木質(zhì)旱滑板面板，隨著層數(shù)的增加，旱滑板面板D的橫向靜曲強(qiáng)度和彈性模量相對于G分別提升了60.23%和58.94%；隨著竹材層數(shù)的增加，其密度逐漸增大至0.78 g/cm3；竹材可明顯提升木質(zhì)旱滑板面板的沖擊韌性；由于竹木復(fù)合界面結(jié)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)采用玻纖增強(qiáng)的竹或木質(zhì)旱滑板面板，其橫向、縱向靜曲強(qiáng)度和彈性模量都有明顯提升，最高分別為76.47 MPa、4.77 GPa和206.2 MPa、16.23 GPa；厚度降低，但密度提升明顯，其中旱滑板面板E的厚度最小(9.40 mm)，密度最大(0.90 g/cm3)；玻纖增強(qiáng)的旱滑板面板剪切性能整體高于其他旱滑板面板，且具有最大的沖擊韌性。

3)基于主成分分析綜合評價(jià)，目前市場上100元以下的旱滑板面板綜合性能最低，200元以上的旱滑板面板力學(xué)性能適中，100～200元的旱滑板面板力學(xué)性能最優(yōu)，性價(jià)比最高。