基于主成分評價法的竹木旱滑板面板力學性能綜合評價

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. 浙江省林業科學研究院，杭州 310023)

隨著旱滑板運動被納入東京奧運會競賽項目，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，也給廠家在產品設計時的性能區分帶來了困惑。然而，關于旱滑板面板的力學性能相關研究較少，而且僅有的旱滑板團體標準T/CSGF 003—2018《滑板》也未對旱滑板面板力學性能提出要求和規定，使得目前旱滑板面板材料、結構和性能之間的科學性協調和精準性設計無法實現。

鑒于此，筆者以8種市售旱滑板面板為研究對象，對其物理力學性能、斷裂形貌進行研究，同時，利用主成分分析法對旱滑板面板的材料、結構、性能、價格之間的關系進行探討，旨在為竹木旱滑板面板明確產品價格與性能的對應關系，對旱滑板面板的科學性設計和選購具有十分重要的意義，為旱滑板面板規范市場、制定標準提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據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州鯤鵬體育器材有限公司等廠家的旱滑板產品，按照材料、價格和結構選取了以下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的面板，其中A(20元)、B(75元)是純木質旱滑板面板，C(100元)、D(160元)、G(240元)是竹材增強的木質旱滑板面板，E(180元)是玻纖布增強表層的木質旱滑板面板，F(200元)、H(260元)是玻纖增強的竹質旱滑板面板。

圖1 旱滑板面板材料及結構示意圖Fig. 1 Materials and structural diagrams of dry skateboard face panels

1.2 儀器設備

體式顯微鏡、厚度儀、電子數顯卡尺、力學試驗機(INSTRON5582型，美國Instron Company)、全數字落錘沖擊試驗機(Instron dynatup9250HV型，美國Instron Company)、場發射環境掃描電鏡(ESEM，XL30 FEG型，美國FEI Company)等。

1.3 性能測試和結構表征

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”中三點彎曲沖擊試驗方案進行測試，跨距為16倍厚度，沖擊能量100 J，樣本數為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

使用極差變換法標準化數據，使用KMO和巴特利特球形度對各指標的相關性進行分析，使用IBM SPSS Statistics進行主成分分析和綜合評價。

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

2 結果與分析

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，旱滑板面板的層數都在5～8層，大都采用奇數層原則。旱滑板面板的厚度為9.40～12.28 mm，其中，使用竹材增強的木質旱滑板面板C、D、G的厚度都在11 mm以上，而利用玻纖增強的木質旱滑板面板和竹質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，這是因為2種楓木自身密度存在差異。旱滑板面板A與E都是7層結構，但是旱滑板面板E的表層被替換為玻纖，使得其密度達到了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[6]的表述一致。與純木質旱滑板面板A的密度相比，采用竹材增強的木質旱滑板面板C、D、G的密度排序為面板C<面板G≤面板D，這是因為旱滑板面板C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

不同材料和組坯結構對旱滑板面板橫向靜曲強度和彈性模量的影響見圖2a。由圖2a可知，采用竹材增強的木質旱滑板面板C、D、G的橫向靜曲強度和彈性模量明顯高于純木質旱滑板面板A、B，可見竹材對于旱滑板面板的橫向彎曲性能增強明顯。采用玻纖布增強的旱滑板面板E的橫向靜曲強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旱滑板面板的橫向彎曲性能。此外，當層數不同、結構相似時，與采用竹材增強的5層木質旱滑板面板G相比，含6層木質旱滑板面板D的靜曲強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度和彈性模量見圖2b?？梢钥闯?，與橫向彎曲性能趨勢一致，旱滑板面板E的縱向靜曲強度和彈性模量最高，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的靜曲強度和彈性模量分別降低了12.99%和8.83%。這可能是因為木材的模量高于竹材，且旱滑板面板C是8層結構，中間膠層受到最大的剪應力，從而導致旱滑板面板C的靜曲強度降低。此外，旱滑板面板D的橫向和縱向彎曲性能差異最小，這是因為旱滑板面板D的橫向鋪層數量接近縱向鋪層。

2.3 旱滑板面板剪切性能

膠層剪切強度反映了旱滑板面板層間結合的牢固程度，膠層剪切強度越大則制備工藝越優異。旱滑板面板的膠層剪切強度見圖3。由圖3可知，旱滑板面板的橫向和縱向剪切強度呈現相似的變化趨勢，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，玻纖正交織物增強木質膠合板在剪切過程中發生了纖維斷裂、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度最大，這與文獻[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度均最低，這是因為旱滑板面板C是采用竹材增強的木質旱滑板面板，而竹材和木材表面結構和纖維排列方式有較大差異，使得兩者間界面結合較差[9]，從而導致旱滑板面板C無論是橫向還是縱向剪切強度都最低。旱滑板面板A的縱向和橫向剪切強度具有較大差異，這可能是與旱滑板面板A只有兩層橫向層的組坯結構有關。

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，采用竹材增強的木質旱滑板面板的沖擊韌性普遍高于純木質旱滑板面板?？梢?，在受到沖擊載荷的過程中，采用竹材增強的木質旱滑板面板表層發生受拉斷裂破壞，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，這是因為旱滑板面板E的玻纖層在表面，當受到沖擊載荷時，最先產生破壞的是木質下表層[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可能沒有經過分級，所以同一塊竹板中不同位置的性能存在較大差異。

旱滑板面板受到沖擊時的載荷、能量與時間曲線見圖6(以旱滑板面板A、D、E、G作為代表)。從時間-載荷曲線可以看出：旱滑板面板在剛與落錘接觸時發生彎曲變形，出現局部破壞，導致載荷瞬時下降；隨后落錘繼續下降，導致旱滑板面板產生的彎曲變形繼續增加，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]。

從時間-能量曲線可以看出，在能量吸收階段，隨著時間的延長，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在受到沖擊載荷時發生分層和完全破壞，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所達到的最大載荷高于A；旱滑板面板D的組坯結構為6層縱向和2層橫向，當受到沖擊載荷時，裂紋擴展多表現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層縱橫交錯式的組坯結構，有效抑制了裂紋擴展，使得應力集中于材料本身而不是膠層上，增強了載荷傳遞作用，從而導致旱滑板面板G需要吸收較多沖擊能量才能發生斷裂[15]。

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

2.5 旱滑板面板性能的綜合評價

2.5.1 指標構建

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

在這些指標中，旱滑板面板的彎曲強度和沖擊韌性是正向評價指標，價格和密度是負向評價指標，且各個性能之間有不同的性質和量綱，因此采用極差變換的方法(式1和2)標準化處理原始數據[16]，進行模糊聚類，如表2所示。

(1)

(2)

表2 旱滑板面板標準化性能指標Table 2 Standardized performance metrics of dry skateboard face panels

2.5.2 主成分分析

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

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

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

根據標準化后的各指標值與上述線性組合以及總計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種旱滑板面板的價格與綜合性能的平衡較好，性價比最高；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行優化，以降低成本；0～100元的旱滑板面板A、B、C雖然價格低廉，但是性能較弱，因此性價比較低。

3 結 論

旱滑板運動正處于高速發展階段，旱滑板市場潛力巨大，制備技術前景樂觀。竹/木旱滑板未來將向高強、高韌以及產品性能定制化的方向發展，應依據產品性能做好分級和價格區間定位；同時，應加大對竹材分級的研究，使得竹板質量均一，提升產品穩定性；玻纖的引入對降低旱滑板面板厚度、提升旱滑板面板力學性能作用明顯，但由于玻纖不可回收、難降解，環境負面影響較突出，未來應通過制備工藝優化和技術革新，使生物質材料部分替代玻纖應用于旱滑板面板，以滿足國家“碳中和、碳達峰”目標。

1)采用竹材增強的木質旱滑板面板，隨著層數的增加，旱滑板面板D的橫向靜曲強度和彈性模量相對于G分別提升了60.23%和58.94%；隨著竹材層數的增加，其密度逐漸增大至0.78 g/cm3；竹材可明顯提升木質旱滑板面板的沖擊韌性；由于竹木復合界面結合不良，竹木旱滑板面板的剪切性能低于其他旱滑板面板。

2)采用玻纖增強的竹或木質旱滑板面板，其橫向、縱向靜曲強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，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性能適中，100～200元的旱滑板面板力學性能最優，性價比最高。