張寧

摘要：近年來，科技發(fā)展的越來越快，特別是復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用。首先以石墨烯為增強(qiáng)體開展了體育器材用石盟領(lǐng)基復(fù)合材料的制備，并采取了顯微組織、物相組成、力學(xué)性能和耐磨性能的實驗。結(jié)果表明：這種復(fù)合材料由Mg相和石墨烯相構(gòu)成，與商用AZ31鎂合金相比，石墨烯鎂基復(fù)會材料的-20℃的抗拉強(qiáng)度從103MPa提升到526MPa，20℃的抗拉強(qiáng)度從261MPa提升到537MPa，300℃的抗拉強(qiáng)度從84MPa提升到516MPa，20℃磨損體積降低88%.150℃磨損體積降低89%，350℃磨損體積減低90%。

關(guān)鍵詞：石墨烯;鎂基復(fù)合材料;體育器材;力學(xué)性能;耐磨損性

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0120-04

眾所周知，因為鎂合金的密度輕、強(qiáng)度高、能有效減震，降噪性優(yōu)良、同時電磁屏蔽性能相比其他材料佳等一些優(yōu)點受到體育器材行業(yè)很大的青睞。近些年來，鎂合金的研究非常多，使得鎂合金在一些實際的應(yīng)用上也獲得了不少成果。但是鎂合金同時也有一些材料屬性上的不足，例如鎂合金的部分力學(xué)性能就不是很高，這個原因在很大程度上阻礙了它大批量商業(yè)化的應(yīng)用。通過行業(yè)研究鎂基復(fù)合材料因為結(jié)合了鎂合金與增強(qiáng)體各自的優(yōu)點，成功的融合了二者的優(yōu)劣互補(bǔ)性，吸引聚集了非常多的科技研究與工程技術(shù)等相關(guān)人員的研究熱情。本篇文章通過把石墨烯作為增強(qiáng)體，開展了體育器材采用石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備，并且對這樣的復(fù)合材料的試樣開展了物相組成、顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究。

1 測試材料和方式

1.1測試材料

在測試時我們選擇了工業(yè)級的Mg、AI、Zn、Mn粉和石墨烯，通過這些材料制造出了體育器材領(lǐng)域?qū)Ｓ檬╂V基復(fù)合材料，這種制備工藝首先是按各自所占比重稱料再進(jìn)行超聲波分散，再進(jìn)行2200N/cm²*3min壓制、500℃*4h真空燒結(jié)、400℃下8：1擠壓最后在進(jìn)行420℃*12h固溶處理。選擇的工業(yè)級石墨烯增強(qiáng)體的JSM6510型掃描電鏡照片，如圖2所示。樣品在SB-100型超聲波清洗機(jī)里面被進(jìn)行超聲波分散，為了實現(xiàn)石墨烯的有效分散，在進(jìn)行超聲波分散過程里面加入少量酒精。石墨烯鎂基復(fù)合材料的化學(xué)成分為AI2.94%、Zn0.85%、Mn0.31%、石墨烯3.0%、其他雜質(zhì)元素少于0.010%、Mg余量。

1.2測試方法

我們選擇測試制備的體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的顯微組織使用了PX-5型金相顯微鏡開展觀察分析研究;XRD研究使用了D8ADVANCE型X射線衍射儀，力學(xué)性能測試使用了CMT4000型電子萬能試驗機(jī)開展了相關(guān)的實驗，試驗溫度分別在-20℃、20℃、300℃下進(jìn)行，并且使用了JSM6510型掃描電鏡對拉伸端口開展觀察分析如圖1所示;耐磨損性能使用的是MMUD-5B型高溫摩擦磨損試驗機(jī)開展的相關(guān)試驗，在這個階段所選擇的溫度是20℃、150℃、300℃，在試驗過程里面選擇的載荷為100N磨損載荷、250dmin的磨輪轉(zhuǎn)速、10min摩擦磨損時間以及90mm/min的相對滑動速度

2 測試效果討論與分析

2.1顯微鏡組織分析和討論

我們通過測試制備的體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的XRD圖譜，在這上面能夠明顯看出，這樣的石墨烯鎂基復(fù)合材料是由Mg相與石墨烯組合構(gòu)成。并沒有Ti與Mn等化合物相，這其中絕大部分的原因是因為Ti的含量基本可以忽略不計，Mn則多用于除雜。測試制備的體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的顯微組織金相照片，如圖2所示。能夠明顯看出，這個石墨烯鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體石墨烯的分布無明顯分散，較為均勻、也沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.2力學(xué)屬性試驗分析討論

我們通過本次測試制備的體育器材專用石墨烯鎂基復(fù)合材料和目前商業(yè)中大量使用的AZ31鎂合金，通過各自在-20℃、20℃、300℃試驗環(huán)境下經(jīng)相關(guān)的測試研究人員得出的力學(xué)性能測試結(jié)果很明顯的顯示，無論是在-20℃、20%或者是在300℃試驗環(huán)境下，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度都比目前市場上大量商用的AZ31鎂合金獲得了非常明顯的提升，在這個測試結(jié)果里面-20℃的抗拉強(qiáng)度從103MPa直接提高到526MPa，如果用百分比來表示其明顯性的話是提高了407%;在20℃的測試條件下抗拉強(qiáng)度從261MPa顯著提高到537MPa，如果也用百分比來表示則為提高了105%;在300℃的試驗溫度條件下抗拉強(qiáng)度從82MPa直接提高到514MPa，更是直接增加了520%。另外實驗結(jié)果還顯示在20℃、300℃測試環(huán)境下，體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能中的伸長率和現(xiàn)階段市場上大量商用的AZ31鎂合金相差無幾，但我們要注意的是在-20℃測試環(huán)境下，它的力學(xué)性能伸長率相比較目前大量商用的AZ31鎂合金從4%增加到11%，明顯增加了7%。所以基于此項實驗可以了解到，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料擁有比較良好的力學(xué)性能。

測驗制備的體育器材專用石墨烯鎂基復(fù)合材料在20℃拉伸斷口gEM照片中，如圖3所示。我們能夠明顯觀察到，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料的拉伸斷口里面的撕裂棱有了很大程度上的減少，等軸韌窩數(shù)目相對偏多并且韌窩相對來說偏細(xì)小，其中絕大部分都是韌性斷裂，部分解理斷裂為次要的斷裂特點。

2.3耐磨損屬性試驗討論分析

測驗制備的體育器材專用石墨烯鎂基復(fù)合材料和目前大規(guī)模商用的AZ31鎂合金，各自在20℃、150℃、350℃試驗環(huán)境下經(jīng)相關(guān)的測試研究人員得出的力學(xué)性能中的耐磨損性能測試結(jié)果很明顯的顯示為無論是在20℃、150℃或是在350℃的試樣條件下，這種體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的磨損體積相比較于目前市場上大規(guī)模商用AZ31鎂合金都要小，由此可以很輕易地得出其耐磨損性能更好。與現(xiàn)在市場上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比較的話，這種體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的20℃測試條件下的磨損體積從98x10^-3mm³降低到11x10^-3mm³，如果用百分比來表示其明顯性的話直接銳減了88.9%;在150℃的測試條件下磨損體積從184x10^-3mm³直接降低到19x10^-3mm³，用百分比來表示其明顯性的話，降低了89%;在350℃的測試條件下磨損性能從291x10^-3mm³很明顯的降低到27x10^-3mm^-3，比較明顯的降低了90.9%。其磨損體積越小，這種體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的耐磨損性能就越好，由這個試驗結(jié)果很顯然的表示了，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料與現(xiàn)在市場上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比較的話，這次測試制備的體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的耐磨性能獲得了非常明顯的提高。

2.4耐腐蝕性能實驗討論分析

測試制備的體育器材用石墨烯鎂合金復(fù)合材料和目前市場上大量商用的AZ31鎂合金，在5wt%的測試溫度NaCl溶液里面，以0.002mm/s的掃描速度得到變化曲線，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料和現(xiàn)在已經(jīng)商用的AZ31鎂合金相比較，次次實驗制備的鎂基復(fù)合材料的腐蝕電位從-0.923V比較明顯的正移到-0.639V，共正移了284mV。我們大家都知道，物質(zhì)材料腐蝕電位越正，它的耐腐蝕性就越好;相應(yīng)的，如果腐蝕電位越負(fù)，其耐腐蝕性也就越差。通過這點可以比較容易的認(rèn)識到，此次實驗的這種體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的耐腐蝕性相對目前已經(jīng)在市場上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金獲得了明顯的提高，具有相對很高的實際應(yīng)用價值。在一般情況下體育器材具有體育本身的獨特性，例如體育設(shè)施的安裝還有放置形式都各種各樣，一定數(shù)量的室外體育設(shè)施全部或者局部安裝于地下、還有部分體育器材處在高酸高堿的環(huán)境里面、也有相當(dāng)多的體育器材在室外風(fēng)吹雨淋再加上強(qiáng)烈的太陽光照射，因此體育設(shè)施耐腐蝕性能的強(qiáng)與弱直接影響了體育器材的質(zhì)量與使用壽命。通過在本次測試?yán)锩孢@種石墨烯鎂基復(fù)合材料的耐腐蝕性可以滿足體育器材設(shè)備的需要，能夠極大地提高體育器材設(shè)施的使用壽命與質(zhì)量，使其可以更加的經(jīng)久耐用。

3 試驗結(jié)論

1）研究技術(shù)人員通過以石墨烯作為增強(qiáng)體，使用超聲波分散之后壓制燒結(jié)的方式，完全能夠制備出擁有相對好很多的力學(xué)性能與耐磨損性能的體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料，這種復(fù)合材料是由Mg相與石墨烯相構(gòu)成。

2）這種體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料和現(xiàn)在市場上已經(jīng)大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比較，在一20℃測試條件下的抗拉強(qiáng)度從103MPa比較明顯的提高到526MPa，同時在20℃測試條件下的抗拉強(qiáng)度從261MPa比較明顯的提高到537MPa，在300℃測試條件下的抗拉強(qiáng)度從82MPa比較明顯的提高到514MPa，在-20℃測試條件下的伸長率從4%比較明顯的提高到11%，提高了7%，在20℃與300℃測試環(huán)境下的延伸率和目前市場上已經(jīng)大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相差無幾。

3）這種鎂基復(fù)合材料與市場上商用的AZ31鎂合金相比，其在20℃的測試條件下磨損體積降低了88.9%，在150℃的測試條件下磨損體積降低了89%，在350℃的測試條件下磨損體積降低了90.9%。

4）此次試驗中的體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料與目前在市場上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比，其腐蝕正電位正移了284mV。

4 結(jié)語

綜上所述，通過本次的試驗我們對體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的實驗，所得出來的結(jié)果與目前市場上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比，無論是在各種的測試溫度上還是抗拉強(qiáng)度、伸長率、耐磨損性以及耐腐蝕性等力學(xué)性能上，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料都比目前商用的AZ31鎂合金表現(xiàn)要好很多?？紤]到很多體育器材都基本上是常年暴露在外，受到一年當(dāng)中很多的環(huán)境變化影響，傳統(tǒng)的體育器材所使用的材料已經(jīng)逐漸面臨著被市場淘汰，有了這種材料可以很好地提高使用時間與質(zhì)量，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料一定會擁有非常廣闊的市場前景。