基于新型鎂基復合材料的體育器材組織與性能研究

任祥鈺 牛健壯

摘要：新型復合材料在體育器材中有著廣闊的應用前景，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導管輔助熔煉制成了適用于體育器材的新型鎂基復合材料，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。實驗結果顯示：鎂基復合材料由Mg₁₇Al₁₂、α-Mg以及B₄C組成，在室溫與高溫環境中有著較好的力學性能與抗腐蝕性能;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。實驗所制的鎂基復合材料在拉伸、抗腐蝕性能上具有充足的優勢，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揮，增長使用壽命。

關鍵詞：鎂基復合材料;體育器材;力學性能;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

科技是第一生產力，對體育發展來說亦是如此。當今時代的體育競技運動，競爭不僅存在于運動員之間，而且在科學技術尤其是新材料技術上的競爭也是相當激烈。經濟的發展、科技的進步使更多的新型材料應用于體育器材之中，新型材料的體育器材具有良好的物理與力學特性。鎂基復合材料同時具備增強體與鎂合金的優點，綜合性能比較好，在體育器材上有著良好的應用前景。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，常被用作復合材料的增強體。為了探索優良的新型體育器材復合材料，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，優化高溫蠕變性能等。制作鎂基復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;當金屬全部熔煉之后，再利用導管注入10vol%B₄C增強體，一邊注入一邊用機械進行攪拌，當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，直至澆注結束之前，都需要進行機械攪拌，空冷之后取出鎂基復合材料。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 實驗結果與討論

2.1鎂基復合材料XRD分析結果與討論

實驗制出的鎂基復合材料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圖譜中發現，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鎂基復合材料顯微組織分析與討論

圖4為實驗所制鎂基復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中可以發現，本次實驗所制得的鎂基復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鎂基復合材料的拉伸實驗結果與討論

對本次實驗所制成的鎂基復合材料分別在室溫、200℃、350℃、500℃的測試條件下的拉伸測試結果如圖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，而且在高溫環境下，有著較好的力學性能。在室溫環境下，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合材料在室溫和高溫環境下都有著非常好的力學性能。

圖7為在室溫環境下，該實驗鎂基復合材料的拉伸斷口形貌。從圖中可以發現，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，本次實驗的鎂基復合材料拉伸性能比較好，而且與拉伸測試的結果表現為一致。

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性能的要求。

2.4鎂基復合材料的抗腐蝕結果與討論

圖8為在5wt%室溫NaCl溶液中，將實驗所制的鎂基復合材料和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境中、有的需要經歷風吹日曬，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

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、在室溫與高溫環境下有著較佳力學性能的適用于體育器材的鎂基復合材料，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，實驗所制的鎂基復合材料的腐蝕電位正移了285mV。

4 結語

綜上所述，新型的鎂基復合材料在體育器材中有著非常高的應用價值。鎂基復合材料具有比較高的比強度與比模量，性能穩定，抗腐蝕性強，應用前景十分廣闊。當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新的步伐，研發出更多的新型優質材料應用于體育器材之中，推動我國體育事業的進步與發展。