乒乓球拍中胶皮的使用性能及其影响因素

作者：王红梅 张景亮 翟祥国

（天津市橡胶工业研究所,天津,300384）

摘要：主要介绍了乒乓球拍中胶皮的种类、结构和作用，同时还讲述了表征胶皮使用性能的方法，并从材料及结构方面着重讨论了影响胶皮使用性能的因素。

一、前言

乒乓运动是全民健身运动。打乒乓球时是使用球拍进行的，所以球拍是打球的必备“武器”。球拍主要由胶皮、海绵和底板构成。

运动员打球时是挥动球拍击球的。球拍击球时的击球力量F，就是来源于挥动球拍产生的动量mv，其中球拍的质量m主要由胶皮质量、海绵质量和底板质量组成；球拍速度v 主要是运动员的腰力、臂力、肘力和腕力的结合力量产生的效果。

击球的力量F与挥动球拍产生的动量mv 之间的关系，可以通过F=ma(a 为加速度)导出。因为a=v/△t（v为击球速度；△t 是击球时球拍与球相互作用时间），所以F=ma=mv/△t，即F△t =mv。F△t 就是球拍与球相互作用产生的冲量，而冲量F△t 等于挥动球拍产生的动量mv。当球拍与球碰撞，动量mv 就转化为对球的作用力F 与相互作用时间t 的乘积，即mv=F△t。当冲量恒定时，球拍对球的作用力F 的大小和球拍与球相互作用时间△t 成反比，作用时间△t 缩短，对球的作用力F 增大，击球速度快，控球能力减弱，作用时间△t 延长，对球的作用力F减小，击球速度减慢，控球能力增加。

为了提高击球速度可以增加球拍重量G，但不能过重，否则由于频繁挥动会使运动员身体产生劳损；如果球拍重量过轻会使击球发飘、无力。因而球拍的重量因人而异，也就是说每个运动员都有自己合适的重量球拍。

二、胶皮的作用

胶皮是球拍不可缺少的重要组成部件之一，也是打球时与球直接接触的部件。在打球时它有以下的作用：

（1）胶皮的重量能增加球拍的重量，也就是球拍产生动量mv的重要组成部分。

（2）在打球时胶皮直接与球接触，能制造或改变球的旋转、速度、运行方向、弧线和落点等，此外还有控球的作用。

（3）在用球拍打球时，胶皮能把球的撞击力传递给海绵和底板，使海绵和底板产生弹力。

（4）在用球拍打球时，球的作用力会使胶皮产生变形。球的作用力消失，胶皮的变形会立即恢复原状产生一种变形的恢复力——弹力，反作用在球上，这种弹力是球拍产生动量mv 之外的又一加力。

三、胶皮的分类

运动员打球时使用的胶皮品种繁多，按使用特性大致可分为反胶皮（以下简称反胶）和正胶皮（以下简称正胶）两类。

1.反胶

凡是胶皮的圆形橡胶颗粒与海绵粘贴，用胶皮的底皮击球的称为反胶，属于此类的胶皮有:

①粘性胶皮

又称弧圈胶皮。它的特点是胶皮的底皮表面带有粘性，与球撞击会使球产生强烈的旋转，而且又具有一定的击球速度，故称是旋转加速度型胶皮。

②涩性胶皮

这种胶皮的底皮表面没有粘性，因而击球时，球脱拍的速度较粘性胶皮要快，但旋转性弱，控球性能也稍差。

③守球胶皮又称削球胶皮

这种胶皮的胶质较软或颗粒较细，粒距又较大，击球时胶皮产生的变形较大，即与球相互作用时间△t 较长，控球性能好，仍有一定的回球速度。

④防弧圈胶皮

这类胶皮有软防弧圈胶皮和硬防弧圈胶皮两种。

软弧圈胶皮，胶皮的胶质弹性小或者是胶皮的胶质滞后损失大。胶皮的底皮表面软而光滑，回球无力，球不往前走，卸去来球的旋转或部分旋转，起到防弧圈的效果。

硬防弧圈胶皮，胶皮的胶质较硬，邵氏A 硬度最小也要在80°以上。由于胶质较硬，与球碰撞产生的变形小，因而与球之间的相互摩擦力也小，球在底皮表面打滑，能卸去来球的旋转或部分旋转。而且回球无力，球不往前走，起到防弧圈球的作用。

关于软防弧和硬防弧胶皮，具体区别可参看此视频：

2.正胶

凡是胶皮的底皮与海绵粘贴，用圆形橡胶颗粒击球的称为正胶，属于此类胶皮的有：

①正胶

这是20 世纪五、六十年代中国传统打法使用的胶皮。从七十年代开始，它在乒坛的统领地位被友谊牌729 反胶所取代。现在的正胶颗粒高度由过去的0.6mm~0.8mm 增高至1.0mm 以上，这种粒高使其有了些生胶弧线低、下沉的味道。

一般来说正胶胶质较硬（约在邵氏A55°左右），不透明、颗粒多为塔形、粒矮，所以正胶刚性较大，击球速度快，控球能力差。由于正胶颗粒与球接触面积比反胶小，挂不起球来，因此必须采用先托后压的翻腕打法。为了增加与球的摩擦力，把颗粒的上顶端制成花纹，来提高打球时颗粒与球的摩擦力。

②生胶

这种胶皮的胶质较软，为透明或半透明，颗粒高度也高于正胶，一般在1.0mm~1.2mm。颗粒多为圆柱形，塔形则少见。当与球撞击时，底皮与颗粒产生的变形都比正胶大，因而球受到胶粒变形的恢复力（反弹力）作用，运行的弧线较低，有下沉感。虽然击球速度稍低些，但受胶皮的反弹力作用，速度并不慢。

③半长胶

这种胶皮的胶质与生胶相似，颗粒高度比生胶的还要高些，一般为1.2mm~1.4mm。由于胶皮的颗粒高度比生胶的又高了，所以受到球撞击时，颗粒歪倒变形要比生胶还要大些，因而作用在球上的反弹力也会增大，使球的运行弧线更低、更下沉些。

④长胶

顾名思义，长胶的颗粒比所有的胶皮颗粒的高度都要高，一般为1.5mm~1.75mm。颗粒形状也多为圆柱形。长胶有两种性能的胶质，使之具有两种不同的使用性能。胶质较软的一种，具有“飘、晃、怪”性能，人们称之为“魔杖”长胶。另一种是胶质较硬的，即具有进攻性能的长胶，此长胶是为邓亚萍特制的长胶。

关于长胶的进攻：

四、对胶皮使用性能的品评

打球有进攻、有防守、有攻守结合等各种打法，所需胶皮的使用性能也不同。对胶皮的使用性能的品评，运动员、教练员是凭借多年的打球经验，靠用眼观察和手感来挑选胶皮的。胶皮的制造者、研究者们将运动员、教练员们挑选胶皮的这些经验，归结为胶皮的胶质性能和胶皮结构对使用性能的影响，并提出了对胶皮使用性能的品评可用胶皮的刚性、柔软性和弹性三项指标来表征。

1.胶皮的刚性（又称刚度）

胶皮的刚性是指胶皮抵抗产生变形的能力。抵抗产生变形的能力大，则胶皮的刚性就大，抵抗产生变形的能力小，则胶皮的刚性小。刚性大的胶皮受球的作用力产生的变形就小，根据胶皮与球碰撞产生冲量mv=F△t 原理，变形小的胶皮，与球的相互作用的时间△t 短，则对球产生的作用力F增大，击球速度就快，而控球能力变差；刚性小的胶皮受球的作用力产生变形就大，与球相互作用时间△t 就会延长，则对球产生的作用力F减小，击球速度会减慢，而控球能力增加。

胶皮刚性一般是用胶皮的胶料试片的硬度来度量。胶皮的硬度是指胶皮抵抗产生压缩变形的能力。硬度高的胶皮，刚性就大，硬度小的胶皮则刚性就小。

胶皮的刚性除可用胶皮的硬度表征外，还可用胶皮的定伸应力或剪切模量（转矩）来度量。胶皮的定伸应力是指胶皮抵抗产生拉伸变形的能力。定伸应力越大，胶皮刚性就越大，否则相反。剪切模量（转矩）是指胶皮抵抗产生剪切变形的能力。剪切模量越大，胶皮刚性就越大；否则相反。

2.胶皮的柔软性

胶皮的柔软性是指胶皮产生变形的能力，产生变形大说明胶皮容易变形，也就是说胶皮刚性小，胶皮柔软。产生变形小说明胶皮不容易变形，也就是说胶皮刚性大，胶皮不柔软。柔软的胶皮，与球碰撞时产生变形大，则相互作用时间△t 长，对球的作用力F小，击球速度慢，控球能力强；否则相反。

胶皮柔软性也可用硬度来度量，硬度小的胶皮柔软，硬度大的胶皮不柔软。

3.胶皮的弹性

胶皮是用橡胶制造的，其弹性来源于橡胶。胶皮的这种弹性，在打球时能增加除球拍产生动量mv 之外的又一加力。橡胶高弹性来源于分子网络结构，并非是化学物质特性。橡胶分子的网络结构必须具备以下条件：

①大分子是由碳碳原子构成的分子单元（又称链段组成）。如天然橡胶的分子单元是异戊二烯、顺丁橡胶的分子单元是丁二烯等连接成的很长的长链高分子。

②碳碳原子键，由于热振动，分子处于不断的运动中。碳碳的连接键不是平角（180°）连接，而是呈约100°键角连接，又由于长链分子中相邻的分子链段能够自由旋转，使长分子链能呈现出长团无规卷曲状态，这一长分子链两端距离远远小于拉直的两端距离；

③这一长团无规卷曲的分子链，当受外力拉伸时，分子链之间能产生滑移，分子还能在受力方向重排，拉力消失，被拉伸的分子仅需千分之一秒就可恢复原来无规卷曲状态。

具有上述这些高分子网络结构，使橡胶成为了高分子粘弹性材料。因此，橡胶受力会产生弹性变形和粘流变形。橡胶受力作用产生变形，外力消失，变形中可恢复原来状态部分称为高弹变形，变形中不能恢复原来状态部分称粘流变形，这就是能力损失。常把外力使橡胶产生变形，称为外力做了功W1，即为消耗功。变形中可恢复部分称为恢复功W2，恢复功W2 与消耗功W1 之比，称为橡胶有效弹性。消耗功W1 与恢复功W2 之差称为损失功（会使制品生热），损失功（W1-W2）与消耗功W1 之比称为橡胶弹性滞后损失。又把橡胶产生变形的变形恢复力称为弹力，变形能够恢复原状的这种特性称为弹性。弹性总是与受力方向相反。如橡胶拉伸时，则弹性表现为回缩；橡胶被压缩时，弹性则表现为伸张。胶皮弹性，常用橡胶的胶料试样在冲击弹性试验机上测量，以弹回率%来表征。橡胶的弹性是与胶料试样的损耗角正切（tanδ）值、损耗模量（E〃—弹性损耗模量， G 〃— 剪切损耗模量）、生热（△T）等成反比。胶皮的回弹率R（%）与橡胶的损耗因子tgθ有R=e-2πtgδ 的近似关系。这些数值小，橡胶的弹性就大；这些数值大，橡胶弹性就小。

五、影响胶皮使用性能的因素

胶皮使用性能，有的是胶皮固有的使用性能，如胶皮的胶料配方性能。当胶料配方确定，胶皮的使用性能随之确定，不会因人和打法的不同而改变。

再有胶皮结构已确定，胶皮的使用性能也不会因人和打法的不同而改变。胶皮与海绵、底板三者性能的匹配，因人和打法的不同，会有各自的最佳匹配，来充分发挥协同效应满足使用要求。

再有一点就是胶皮的使用性能在运动员身上的体现。因此，影响胶皮使用性能的因素可归结为以下四点。

1.胶皮的胶料配方和制造工艺

胶皮的胶料性能就是满足胶皮使用要求的性能。因此，对胶料配方的研究，是从本质上对胶皮使用性能起决定性作用的要点。就是说有什么样的胶料配方就有什么样的胶皮使用性能。在配方研究中，最重要的是要选好主体材料。因为橡胶是一种弹性体，它在很小外力作用下，会产生很大变形，外力除去，变形几乎立即恢复原状。这是其他材料所不具备的特性。如钢、铁受力产生变形仅是橡胶变形的1%，橡胶变形储存的能量是同重量回火弹簧钢储存能量的150 倍，塑料产生变形所需外力要比橡胶大30 倍。

确定了主体材料，还必须在其中添加各种配合剂，如硫化剂、促进剂、活性剂、防焦剂、填充补强剂、软化剂、防老剂等。这些助剂能改进胶料性能，满足使用要求。

研究出了符合胶皮使用性能要求的胶料配方，还要进行与之相适应的制造工艺的研究。就是要看此胶料配方，能否适应塑炼、混炼、成型、硫化等各道生产工序要求，如果能够适应上述工序要求，还要拟定生产工艺参数，如门尼粘度（或可塑度）、门尼焦烧、出型尺寸或收缩量、硫化温度、硫化时间、硫化压力等，并制定胶皮检验标准。这些研究工作完毕，才能试制出合格的胶皮，从而进行生产。

2.胶皮结构

胶皮结构是影响胶皮使用性能的另一个重要因素。胶皮是由圆柱形颗粒与胶皮底皮连接构成。圆柱体的形状与尺寸和底皮的变化，都会影响胶皮的刚性、柔软性，从而影响胶皮的使用性能。

2.1 胶皮颗粒形状

胶皮的圆柱体形状按国际乒联规定允许有以下三种，见图1：

2.2 胶皮各部位名称及代号

胶皮颗粒形状有三种，现以圆柱体与锥体（塔形）相结合的混合体颗粒形状为代表，展现胶皮颗粒各部位尺寸及代号，见图2 所示。

2.3 胶皮结构对使用性能的影响

2.3.1 胶皮底皮表面性能的影响

胶皮底皮表面有带粘性的，有不带粘性的。粘性胶皮与球碰撞，其接触表面上产生的摩擦力F为粘附摩擦力Fa 和滞后摩擦力Fn 之和。粘性摩擦力Fa 是分子粘附成分所产生的力。涩性胶皮与球的摩擦由于没有分子粘附成分，因而只有底皮表面的粗糙程度所产生的滞后摩擦Fn。分子粘附成分增加，胶皮向粘性胶皮转化，分子粘性成分减少，胶皮向涩性胶皮转化。当没有分子粘附的胶皮即为涩性胶皮。

①粘附摩擦

胶皮底皮表面与球表面产生摩擦时，由分子粘附作用形成的粘附键被拉伸、松弛、断裂直到新的平衡位置重新产生粘附。总的粘附力F =cΣs （c—各微小接触面积的剪切强度；si—各微观真实接触面积）。按照弹性体的粘附理论，可以得出粘附摩擦系数μa=Bφ (E/ργ)tgδ（B、γ—常数，其中γ＜1；φ—与表面产生粘附能力有关的函数；E—橡胶的弹性模量；ρ—正压力；tgδ—橡胶损耗角正切值）。

粘附摩擦是实际接触面积大小的问题，是决定摩擦性能的重要因素。而影响实际接触面积大小的主要因素有压力、弹性模量和表面粗糙度。表面粗糙度主要是表面状态不同，对摩擦粘附变化影响明显。

②滞后摩擦

胶皮底皮表面以一定速度V，与球表面相对运动，球的表面上的微凸体压缩胶皮底皮表面，使橡胶不断产生变形所需的能量Eci，越过微凸体产生变形恢复的恢复能量Eei，由于橡胶的滞后损失，产生能量Eci 大于变形恢复能量Eei(Eci＞Eei),这势必形成不对称的压力分布，其水平分量就是滞后摩擦力Fn。滞后摩擦力Fn=（λ—球体表面微凸体之间的平均距离；Eci—第i 个微凸体压缩橡胶时产生的能量；Eei—越过第i 个微凸体后橡胶变形恢复能量）。显然，这里的能量消耗是与橡胶力学损耗特性有关的，按照比较严格的有关滞后摩擦的松弛理论，可以得出滞后摩擦系数μn =K(P/E)tgδ（K—常数，为一几何形状尺寸；P—正压力；E—橡胶的弹性模量；tgδ——橡胶损耗角正切值）。

滞后摩擦的滞后成分分别与表面粗糙度、压力等因素所决定的变形速度、变形量有关。粘附摩擦系数μa 和滞后摩擦系数μn 都与橡胶损耗角正切tgδ成正比，而滞后摩擦系数μn还与变形因子（P/E）成正比。总之摩擦表面的粗糙度会改变橡胶的摩擦性能。

软、硬防弧圈胶皮的表面摩擦性能与胶皮的刚性、变形量、能量损耗角正切都有密切关系。

2.3.2 胶皮底皮厚度e 的影响

增加胶皮底皮厚度e，则胶皮刚性增加，击球速度快，而控球能力下降；降低胶皮底皮厚度e，则胶皮刚性下降，击球速度减慢，而控球能力增加。

2.3.3 胶皮颗粒高度（粒高）h 的影响

增加粒高h，则胶皮刚性下降，颗粒变形增大，击球速度减慢，控球能力增加；降低粒高h，则胶皮刚性增加，颗粒变形减小，击球速度增加，控球能力减弱。

2.3.4 胶皮的粒径a、粒距b、中心距l、粒密度（胶皮在每平方厘米内的颗粒数，即粒/cm2）的影响

在胶皮的底皮厚度e 和粒高h 固定不变的条件下，胶皮的粒径粒径a、粒距b、中心距l、粒密度（粒/cm2）等，不论如何改变，凡能增加胶皮刚性的，就能增加击球速度，而控球能力下降；凡能降低胶皮刚性的，就能降低击球速度，而控球能力增加。

2.3.5 胶皮的横排、竖排

胶皮颗粒近距离排列与商标底线平行的为横排；近距离排列与商标底线垂直的为竖排。颗粒横排的胶皮在垂直方向受力F，如图3 的A 点受力：

此力由A 为60°跨度的线段BC 承接，如B点受力，此力由B 为120°跨度的线段AD 承接，跨度小的承接力大，跨度大的承接力小。承接力大的胶皮的刚性大，击球速度快；承接力小的胶皮刚性小，击球速度慢。当击球点由A 点向B 点偏移时在垂直方向的分力为Fcosα（α—偏移角度）。在α角为0~60°范围内，垂直方向的分力大于水平方向的分力（Fsinα）。如果击球点偏移角度α在60~90°范围内则Fcosα＜Fsinα。即垂直方向承接力转向水平方向承接力。

胶皮颗粒竖排时，受力点A 成为水平方向（如图4）：

承接力的跨度小，胶皮的刚性大，击球速度快；C 点成为垂直受力方向，承接力的跨度大，胶皮的刚性小，击球速度慢。因此，横排胶皮适于直板使用；竖排胶皮适于横拍使用。

2.3.6 正胶结构

正胶结构与反胶结构大同小异。不同点就是打球使用的部位不同。也是凡能增加胶皮刚性的结构都能增加击球速度，控球能力减弱；凡能降低胶皮刚性的结构都能降低击球速度，控球能力提高。要注意的是，正胶用颗粒击球，底皮与海绵贴合，颗粒受力由底皮传递给海绵，使底皮对海绵的压强减小，所以正胶都要匹配软海绵，而且正胶底皮厚度也不要太厚，一般以0.3~0.5mm为佳。如果底皮厚度超过0.5mm，会减小底皮对力的传递作用，打起球来有僵木感觉，控球的敏感性变差。当然配用硬海绵也会有僵木感。其它如颗粒形状、大小、高矮对胶皮使用性能的影响也与反胶结构大致相同。

3.胶皮、海绵、底板的匹配

反胶和正胶是各有不同使用性能的品种，与之匹配的海绵也有不同硬度和厚度之分。一般地讲，反胶需配用45°~52°（国外称阿斯卡—C 型硬度，国内称邵尔W 型硬度）的海绵；正胶需配用25°~40°硬度的海绵；以旋转打法为主所用的粘性胶皮，配用49°~52°的海绵。男运动员海绵厚度配2.10~2.15mm ， 女运动员配1.90~2.05mm。削球反胶需配44°~48°海绵，打法以守为主的所配海绵硬度要偏软些，攻守结合配用的海绵要偏硬些，厚度因人需求不同而异。正胶两面攻打法要求海绵又能进攻又要控球能力好，所配用的海绵硬度偏软，以25~30°为宜，海绵厚度为2.10~2.25mm；左推右攻打法需要海绵就要偏硬些，既要控球能力好又要推挡球有速度，海绵宜用30~35°，厚度为2.0~2.2mm；生胶配用海绵为35~42°，厚度以1.4~1.8mm 为宜；

长胶配用的海绵硬度都在50°以上，厚度为0.6~1.0mm。如果海绵太软，0.6~0.7mm 厚的海绵不好裁片，但也有人用0.4mm 的薄海绵。由厚海绵裁成薄片更不好裁切。

总之，海绵增厚能增加击球弹性和控球能力，海绵减薄能增加击球速度，控球能力下降。胶皮由于有类型、品种的不同，与之匹配的海绵也有不同的硬度、厚度，如何相互匹配以达到最佳组合，充分发挥协同效应，满足各种使用性能需求，这是一项不容忽视的研究内容。除了胶皮与海绵匹配之外，还要与底板匹配。底板有拍型、拍重、重心、厚度及层数、硬度、弹性等的不同，因而胶皮海绵与之匹配也是一项复杂的研究任务。

4.运动员自身条件

运动员自身的条件应包括：技术水平、智慧、素质和体能。运动员的技术水平来自于教练员们的指导和个人的刻苦训练。智慧是运动员打球时临场的思维变化，能否依据对手的优、缺点及时调整自己的对策，充分发挥自己优势压倒对手取得胜利。素质是运动员打球时临场对胜、负的心态问题。应该在平常训练和各种比赛中，培养自己胜不骄、败不馁的顽强拼搏精神。这一点与教练员们的平时培养和思想引导有关系。运动员的体能，一方面来自于教练员们对其提高体能的系统训练，另一方面还要看运动员自身对体能训练的刻苦精神。体能的增加能提高挥拍的速度，增加击球动量，还能提高打球相持阶段的耐力，增强取胜信心。

六、结语

以上是经过多年对乒乓胶皮的研究及样品收集，总结出的较全面的文献，此文还有不完善之处，如粘性胶皮未做过摩擦力和摩擦系数试验，缺乏数据表征。此外对胶皮的粘性大小，大都以运动员的实际使用情况为依据。诸如此类，文中会存在不少谬误，望读者给予指正。