板球运动
文 |怪谈Talk
编辑 | 怪谈Talk
前言
板球是最受欢迎的全球性运动之一，对于击球手和守门员来说，板球护垫是用于减震和板球冲击力的峰值减速的重要个人防护装备。
填料的材料选择应根据要求考虑，在研究中，使用针织单向热塑性复合材料预浸料制造柔性复合材料，使用热塑性纱线制造预浸料，例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)和低熔点聚酯(LMPE)。
对位芳族聚酰胺(Kevlar)和亚麻纱用作嵌体，该结构被堆叠成三层和五层，并且使用热压将热塑性纱线转化成基质，总共制备了12个样品，并评价了它们的机械性能。
拉伸和弯曲性能、短梁强度和冲击性能采用多准则决策(MCDM)技术进行优化，通过与理想解的相似性(TOPSIS)获得订单性能，这种方法被用来选择最佳材料用于板球垫。
使用统计技术对候选样本进行排序，发现最佳样品是FP5，即使用五层的亚麻与聚丙烯，其表现出最大的冲击强度，结果表明，随着层数的增加，力学性能总体上有所提高。
通过ANOVA (α = 0.10)和饼图获得每个因素的显著性和百分比贡献，这表明因素A和C(镶嵌纱线和层数)是主要贡献者，与市场样品板球垫相比，最佳样品表现出优异的冲击相关性能。
板球运动中护具材料的重要性
板球是世界上最受欢迎的运动之一，拥有大约25亿球迷，它是英国的国球，在印度、巴基斯坦、斯里兰卡、澳大利亚、新西兰和其他国家很流行，这项运动需要某些设备，如板球拍、板球、三柱门和防护附件，如板垫、头盔、手套和调温护具。
多年来，随着技术和材料的进步，板球设备的市场已经扩大，个人防护装备(PPE)在职业运动中变得越来越重要，虽然板球是一项非接触性运动，但撞击伤非常常见。
在板球运动中，球以25到45米/秒的极高速度射出，在如此高的速度下，撞击时产生的力可能对运动员的安全有害，为了避免这类事件的发生，显然必须对击球手使用的防护装备进行持续的、深思熟虑的改进。
板球护垫对于击球和守检票口的球员来说是必不可少的，可以保护膝盖和小腿的安全，板球护垫需要为击球手和守门员提供减震和板球冲击力的峰值减速，板球护垫由几种具有良好减震性和抗冲击性的材料制成。
护垫用于最小化高速球的冲击，以保护运动员在击球和守三柱门时免受伤害，因为在这些位置，运动员必须面对板球，这可能是危险的，并导致运动员受伤。
传统上，皮革被用来制造板球护垫的外层，然而，以皮革为基础的垫子很重；近年来，PVC(聚氯乙烯)和PU(聚氨酯)的发展使得制造轻质衬垫成为可能，PVC是一种合成聚合材料，用作皮革的替代品，因为它比皮革更便宜、更耐用、更轻。
PVC具有很高的耐化学性，这使得它很难回收，正因为如此，聚氯乙烯近年来失去了重要性，聚氨酯现在被更广泛地采用，因为它更容易回收，而且像聚氯乙烯一样便宜耐用。
聚氨酯可以转化为高密度泡沫，用作轻质减震器，制成轻质衬垫，板球垫的外层由聚氨酯(PU)/聚氯乙烯(PVC)制成，而不同的材料根据其抗冲击和减震的固有特性用作衬垫，传统上，坚硬形式的藤条(轻质木材)用于板垫中，以提供板垫内部的刚性和保护。
在现代设备中，藤条已被高密度泡沫(HDF)取代，现在主要用于更便宜、质量更好的垫子中，高密度泡沫的主要好处是它非常轻，因为它主要由空气组成，然而，这种合成材料来自不可再生的自然资源，例如石油，其导致全球变暖，并且具有有限的报废处理途径。
需要对潜在的可持续创新机会进行研究，在注重运动员的舒适和安全的同时，具有更大冲击保护的板垫变得越来越有必要，亚麻、黄麻、剑麻、丝绸和椰壳纤维等天然纤维价格低廉，密度相对较低，韧性较高。
这些纤维重量轻，可再生，可生物降解，研究表明，亚麻纤维具有高的比强度和比模量以及低的密度，这使其在复合材料中的应用非常有效，对于高端应用，芳族聚酰胺纤维，例如Kevlar是优选的，因为它们具有高强度、轻重量和减震性能，这使得它们适用于板球护垫。
近年来，纤维增强复合材料因其成本低、重量轻、强度高、刚度大而被广泛应用于许多工程领域，根据增强材料和基体材料的类型，可以制备不同类型的复合材料。
增强方向是控制复合材料机械性能的决定性因素之一，预浸料是用热塑性或热固性树脂预浸渍的复合增强材料，虽然预制部件的生产过程更快，但它们是通过热压成型来固化的，如文献中所述，使用针织单向增强方法制备预浸料坯。
随着世界范围内限制燃料消耗和相应的二氧化碳排放，开发环境友好型材料的板垫变得很有必要排放，皮革、藤条和HDF已经被用于开发板球护垫以保护冲击；然而，这些材料都有自己的优点和缺陷。
目前还没有关于开发板球护垫的研究，该板球护垫具有由高性能针织织物增强并浸渍有热塑性树脂以改善冲击保护的柔性复合材料，现有研究表明，对环境影响和所用材料的考虑有限。
这项研究的重点是板球运动中用作护具的柔性复合材料的性能特征，此外，采用TOPSIS多响应优化方法，因此，该研究一方面旨在使用可再生材料，另一方面旨在实现冲击性能的改善。
复合预浸料的材料选择
为了制备复合预浸料，使用了五种不同类型的材料，即凯夫拉尔纤维、亚麻、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)和低熔点聚酯(LMP)复丝纱线。
所有纱线原料均从中国进口，凯夫拉尔和亚麻纱线被用作增强材料；这两种纱线都具有6000旦尼尔的线密度。
其他三种类型的热塑性纱线材料，即低熔点聚酯、高密度聚乙烯和聚丙烯，在热压过程中用作所有针织结构中的基体，所有热塑性纱线的线密度为600旦尼尔。
热塑性聚合物的选择基于它们的熔点和它们以纱线形式的商业可获得性，它们的选择基于比增强材料更低的熔化温度，这允许容易且均匀的浸渍得以实现，热塑性基体如LMP、PP和PE具有延展性，易于加工，回收简单。
基于优异的机械性能选择增强纱，虽然Kevlar在高端工程应用中众所周知，但选择亚麻是因为它是一种天然来源的纤维素纤维，是一种生态友好的增强选择，同时与其他天然纤维相比，表现出相对更好的机械性能。
使用的HDPE是复丝纱线的形式，其由具有非常高的聚合物链取向的纤维/长丝组成，增加了结晶度，这对于聚合物纤维来说是典型的；它们的密度略高于相应的聚合物。
使用的聚丙烯是复丝纱线的形式，因为纱线是直接从供应商处获得的，所以可能含有增塑剂，这可能是PP复丝纱高伸长率的原因。
目的是研究纱线形式的不同热塑性树脂浸渍复合材料的性质，因此，与相对较高密度和较高分子量的材料(例如HDPE)或中间材料相比，材料的选择由相对较低密度和分子量的PP构成。
将复合材料样品热压成型
使用两种不同的堆叠顺序制造复合材料样品，将针织物样品剪成所需的尺寸(30 cm × 30 cm ),并以(0，90，0)的堆叠顺序放置三层和(0，90，0，90，0)的五层。
然后，将样品放入压模机中，施加4吨的压力和180℃的温度30分钟，以获得均匀的目标密度，在施加压力的情况下，允许样品在65–75°C的温度下冷却，然后将复合材料样品从热压成型机中取出。
根据ASTM D7264标准试验方法，使用三点弯曲试验测定复合材料样品的弯曲性能，.Zwick万能试验机用于通过更换夹具进行三点弯曲试验。
根据ASTM D2344测试标准,热塑性复合材料的短梁剪切强度测试在万能试验机上进行，短梁强度或层间剪切强度用于评估纤维-基体结合，使用直接模式II横向剪切载荷试验来测量界面结合质量。
所有热塑性复合材料样品的冲击性能都是根据测试标准ISO 179-2在夏比冲击试验机上测定的，夏比试验方法评估材料的韧性或冲击强度，当它有一个缺陷或缺口，并受到快速加载的情况。
使用工具对实验结果分析
使用放大1.5倍的光学显微镜获得所有测试样品的光学图像，分析断裂表面以确定失效模式。
为了获得板垫的最佳样本，采用了TOPSIS(通过与理想解决方案相似的顺序性能技术)多响应优化技术，TOPSIS方法用于获得距离负理想解最远的最近理想解，这种方法需要在选择过程中应该考虑的属性的相对重要性的信息。
第一个质量标准是冲击性能，它显示了柔性垫能够吸收多少能量，这是板球垫最重要的要求之一，作为这种分析技术的必要组成部分，优先顺序如下:冲击强度、弯曲强度、拉伸强度和短梁强度。
方差分析用于确定每个因素相对于TOPSIS提出的每个特定响应的统计显著性和百分比贡献，最后，将市场样品板球垫与通过上述分析获得的最佳样品进行比较。
拉伸性能在板球护垫用复合材料的表征中起着至关重要的作用，对复合材料样品的拉伸模量和拉伸强度进行了研究和分析，计算拉伸模量，并绘制成图，用于比较所有制备的样品。
与亚麻基复合材料相比，凯夫拉尔基样品具有更高的拉伸模量，因为在凯夫拉尔的化学结构中存在对位芳族聚酰胺组分，其以重复的方式通过强键相互连接。
结语
所有种类的五层复合材料比相同类型的三层复合材料显示出更高的拉伸模量，这可直接归因于更高的层数，这在聚合物和纤维的各层之间建立了强的层间结合，导致更高的拉伸模量。
这可能是由于更光滑和更均匀的棒状纵向微纤维，它们彼此取向和互连，并具有更高的晶体结构，导致更高的杨氏模量、拉伸强度和拉伸模量。
在比较亚麻基复合材料时，在三层和五层复合材料中，FP显示出最高的拉伸模量(7.67 GPa和10.41 GPa)，其次是FH (9.07 GPa和9.00 GPa)和FL (6.21 GPa和7.45 GPa)。
这可归因于在力的方向上高度取向的球晶，其被转化为与亚麻原纤维产生强结合的微纤维，导致高拉伸模量，另一方面，FH比FL具有更高的拉伸模量，这可归因于HDPE具有更高的劲度/刚度和压缩强度。