任祥鈺 牛健壯

摘要：新型復(fù)合材料在體育器材中有著廣闊的應(yīng)用前景，好的體育器械有利于提高運動員的競技成績，推動全民運動的發(fā)展。將10vol%B₄C增強體添加到Mg-3Al-0.1Ti-0.3Mn-1Zn鎂合金中，通過采用攪拌摩擦法以及特質(zhì)導(dǎo)管輔助熔煉制成了適用于體育器材的新型鎂基復(fù)合材料，并對此材料進行了的OM、XRD、SEM分析以及腐蝕試驗和拉伸實驗。實驗結(jié)果顯示：鎂基復(fù)合材料由Mg₁₇Al₁₂、α-Mg以及B₄C組成，在室溫與高溫環(huán)境中有著較好的力學(xué)性能與抗腐蝕性能;在室溫下，該材料的拉伸強度為428MPa，伸長率為12.5%。相較室溫，500℃的拉伸強度只減少了9%，與AZ3l鎂合金相比，腐蝕電位正移了285mV。實驗所制的鎂基復(fù)合材料在拉伸、抗腐蝕性能上具有充足的優(yōu)勢，適用于制造體育器材，使體育器材的功用得到最大程度的發(fā)揮，增長使用壽命。

關(guān)鍵詞：鎂基復(fù)合材料;體育器材;力學(xué)性能;抗腐蝕性能

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0019-04

科技是第一生產(chǎn)力，對體育發(fā)展來說亦是如此。當(dāng)今時代的體育競技運動，競爭不僅存在于運動員之間，而且在科學(xué)技術(shù)尤其是新材料技術(shù)上的競爭也是相當(dāng)激烈。經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進步使更多的新型材料應(yīng)用于體育器材之中，新型材料的體育器材具有良好的物理與力學(xué)特性。鎂基復(fù)合材料同時具備增強體與鎂合金的優(yōu)點，綜合性能比較好，在體育器材上有著良好的應(yīng)用前景。但是，受制備工藝、材料成分等多種因素的影響，鎂基復(fù)合材料的性能有待于人們開展進一步的深人性研究。B，C（碳化硼）的硬度很高，制造起來比較容易，而且價格相對來說也比較低，常被用作復(fù)合材料的增強體。為了探索優(yōu)良的新型體育器材復(fù)合材料，本次實驗將適量的B₄C增強體添加到含鈦鎂合金之中，通過攪拌摩擦處理，職稱鎂基復(fù)合材料，并對此材料的OM、XRD以及SEM進行了分析，做了腐蝕試驗和拉伸試驗。

1 實驗材料和方法

1.1實驗材料

本次實驗需要用到B₄C增強體，增強體可以用來改善材料不同方面的性能，比如提高彈性模量和強度，減小密度，優(yōu)化高溫蠕變性能等。制作鎂基復(fù)合材料需要加入增強體，但是增強體通常是脆性相，添加量不可以超過一定的值，不然就會造成復(fù)合材料性能的惡化。本次實驗的需要加入10vol%B₄C增強體。

采選工業(yè)級金屬Mg錠、Al、Ti、Mn和Zn，按照Mg-3A1-0.1Ti-0.3Mn-1Zn比例進行配置，將TXZ-110型熔煉爐的溫度設(shè)置在700℃，將配料進行熔煉，在此過程中不斷地用機械進行攪拌;當(dāng)金屬全部熔煉之后，再利用導(dǎo)管注入10vol%B₄C增強體，一邊注入一邊用機械進行攪拌，當(dāng)B₄C增強體完全注入熔體之后，再用機械進行10min的攪拌。之后，將熔體澆注在鐵模之中，直至澆注結(jié)束之前，都需要進行機械攪拌，空冷之后取出鎂基復(fù)合材料。圖1為熔煉裝置的簡易圖。通過激光粒度儀測試了B₄C增強體的粒徑分布，測試結(jié)果見圖2，B₄C增強體的粒徑在37-46um。

1.2實驗方法

通過JSM6510掃描儀、6XB-PC顯微鏡對本實驗制出的鎂基復(fù)合材料顯微組織進行分析;用D8AD-VANCE射線衍射儀對材料物相組成進行分析;用UH-100GL高溫拉伸試驗機分別在室溫、200℃、350℃、500℃條件下對材料的力學(xué)性能進行測試;用JSM6510掃描電鏡對材料的拉伸端口的形貌進行掃描;用CH1660B電化學(xué)工作站對材料的抗腐蝕性能進行三電極體系測試，該測試要在室溫下進行，采用5wt%NaCI電解液，以0.002mm/s的速度掃描，范圍在-1.0～-0.5V。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1鎂基復(fù)合材料XRD分析結(jié)果與討論

實驗制出的鎂基復(fù)合材料XRD圖譜，如圖3所示。從圖3可以看出，該材料由Mg₁₇Al₁₂、α-Mg、以及B₄C組成。Mn或者Ti的化合物相并沒有在XRD圖譜中發(fā)現(xiàn)，主要原因在于Mn主要是用來除雜，而Ti的含有量非常少。

2.2鎂基復(fù)合材料顯微組織分析與討論

圖4為實驗所制鎂基復(fù)合材料的顯微組織金相圖片，圖5為掃描電鏡圖片。從圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，本次實驗所制得的鎂基復(fù)合材料有著比較細小的晶粒，平均晶粒的尺寸在58um，材料中分布著較少團聚、比較均勻的B₄C增強體。

2.3鎂基復(fù)合材料的拉伸實驗結(jié)果與討論

對本次實驗所制成的鎂基復(fù)合材料分別在室溫、200℃、350℃、500℃的測試條件下的拉伸測試結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，本材料的拉伸強度與伸長率都比較高，而且在高溫環(huán)境下，有著較好的力學(xué)性能。在室溫環(huán)境下，該材料的拉伸強度為428MPa，伸長率為12.5%;隨著溫度的不斷升高，該材料的拉伸強度開始緩慢地降低，但是伸長率卻逐步升高;在500℃的測試條件下，材料的拉伸強度是387MPa，相比室溫下的拉伸強度只減少了9%，伸長率卻增大了26.5%。由此可見，本次實驗所制成的鎂基復(fù)合材料在室溫和高溫環(huán)境下都有著非常好的力學(xué)性能。

圖7為在室溫環(huán)境下，該實驗鎂基復(fù)合材料的拉伸斷口形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該材料的拉伸斷口中有著很多的細小等軸韌窩和少許的撕裂棱，有著韌性斷裂的特點。由此可見，本次實驗的鎂基復(fù)合材料拉伸性能比較好，而且與拉伸測試的結(jié)果表現(xiàn)為一致。

對于室外的體育器材來說，受溫度的影響比較大，不僅是四季變換的溫度影響，而且由于部分地區(qū)的溫差比較大，比如我國有的地方夏天曬烤溫度可達70℃，而冬天的溫度會低至-50℃。體育器材對伸展性與比剛度要求較高，比如肋木、戶外雙杠、健身轉(zhuǎn)盤等。老式的體育器材大多以鋼材或者木材為原料，在彈性、比剛度、使用壽命等方面有著先天性的不足。采用鎂基復(fù)合材料制作而成的體育器材，其拉伸強度與伸展性能不會因為溫度的變化而降低性能，有著較強的韌性和安全性，可以滿足體育器材對力學(xué)性能的要求。

2.4鎂基復(fù)合材料的抗腐蝕結(jié)果與討論

圖8為在5wt%室溫NaCl溶液中，將實驗所制的鎂基復(fù)合材料和AZ31鎂合金以0.002m/s的速度進行掃描而獲取的極化曲線。由極化曲線可以看出，相較于AZ31鎂合金，本實驗所制的鎂基復(fù)合材料的腐蝕電位由-0.933V正移到-0.649V，正移了285mV。材料的腐蝕電位越正，抗腐蝕性就會愈好;與之相反，材料的抗腐蝕性就會愈差。由此可見，該鎂基復(fù)合材料相比AZ31鎂合金有著更好的抗腐蝕性能，實用價值很高。戶外體育器材有著不同的安裝與安放形式，有的需要部分或者全部埋在地下、有的要處在酸堿性比較強的環(huán)境中、有的需要經(jīng)歷風(fēng)吹日曬，因此，體育器材對抗腐蝕性能有著較高的要求。本次實驗所制的鎂基復(fù)合材料的抗腐蝕性能滿足體育器材的要求，增加體育器材的使用壽命。

3 實驗總結(jié)

1）將10vol%的B₄C增強體加入到Mg-3Al-0.1Ti-0.3Mn-1Zn鎂合金之中，通過攪拌摩擦處理，制作增強體分散均勻、在室溫與高溫環(huán)境下有著較佳力學(xué)性能的適用于體育器材的鎂基復(fù)合材料，與AZ31鎂合金相比，該材料有著顯著的抗腐蝕性能，

由Mg₁₇Al₁₂、α-Mg以及B₄C組成。

2）該鎂基復(fù)合材料在室溫下拉伸強度為428MPa，伸長率為12.5%;隨著溫度的不斷升高，該材料的拉伸強度開始緩慢地降低，伸長率逐步升高;相比于室溫環(huán)境下的測試，在500℃的測試條件下，其拉伸強度只減少了9%，伸長率卻增長了26.5%。

3）相較于AZ31鎂合金，實驗所制的鎂基復(fù)合材料的腐蝕電位正移了285mV。

4 結(jié)語

綜上所述，新型的鎂基復(fù)合材料在體育器材中有著非常高的應(yīng)用價值。鎂基復(fù)合材料具有比較高的比強度與比模量，性能穩(wěn)定，抗腐蝕性強，應(yīng)用前景十分廣闊。當(dāng)今的體育競賽離不開科技的進步，先進的體育器材是保證競賽成績的有效手段之一。因此，科研工作者要加快科技創(chuàng)新的步伐，研發(fā)出更多的新型優(yōu)質(zhì)材料應(yīng)用于體育器材之中，推動我國體育事業(yè)的進步與發(fā)展。