體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備與性能分析

張寧

摘要：近年來(lái)，科技發(fā)展的越來(lái)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(kāi)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(shí)驗(yàn)。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(huì)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(lèi)號(hào)：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0120-04

眾所周知，因?yàn)殒V合金的密度輕、強(qiáng)度高、能有效減震，降噪性?xún)?yōu)良、同時(shí)電磁屏蔽性能相比其他材料佳等一些優(yōu)點(diǎn)受到體育器材行業(yè)很大的青睞。近些年來(lái)，鎂合金的研究非常多，使得鎂合金在一些實(shí)際的應(yīng)用上也獲得了不少成果。但是鎂合金同時(shí)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(gè)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(guò)行業(yè)研究鎂基復(fù)合材料因?yàn)榻Y(jié)合了鎂合金與增強(qiáng)體各自的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)把石墨烯作為增強(qiáng)體，開(kāi)展了體育器材采用石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備，并且對(duì)這樣的復(fù)合材料的試樣開(kāi)展了物相組成、顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究。

1 測(cè)試材料和方式

1.1測(cè)試材料

在測(cè)試時(shí)我們選擇了工業(yè)級(jí)的Mg、AI、Zn、Mn粉和石墨烯，通過(guò)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(chēng)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(jí)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(shí)現(xiàn)石墨烯的有效分散，在進(jìn)行超聲波分散過(guò)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(cè)試方法

我們選擇測(cè)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(kāi)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(cè)試使用了CMT4000型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別在-20℃、20℃、300℃下進(jìn)行，并且使用了JSM6510型掃描電鏡對(duì)拉伸端口開(kāi)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(yàn)機(jī)開(kāi)展的相關(guān)試驗(yàn)，在這個(gè)階段所選擇的溫度是20℃、150℃、300℃，在試驗(yàn)過(guò)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(shí)間以及90mm/min的相對(duì)滑動(dòng)速度

2 測(cè)試效果討論與分析

2.1顯微鏡組織分析和討論

我們通過(guò)測(cè)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(méi)有Ti與Mn等化合物相，這其中絕大部分的原因是因?yàn)門(mén)i的含量基本可以忽略不計(jì)，Mn則多用于除雜。測(cè)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(gè)石墨烯鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體石墨烯的分布無(wú)明顯分散，較為均勻、也沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.2力學(xué)屬性試驗(yàn)分析討論

我們通過(guò)本次測(cè)試制備的體育器材專(zhuān)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(guò)各自在-20℃、20℃、300℃試驗(yàn)環(huán)境下經(jīng)相關(guān)的測(cè)試研究人員得出的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果很明顯的顯示，無(wú)論是在-20℃、20%或者是在300℃試驗(yàn)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(chǎng)上大量商用的AZ31鎂合金獲得了非常明顯的提升，在這個(gè)測(cè)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(lái)表示其明顯性的話是提高了407%;在20℃的測(cè)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(lái)表示則為提高了105%;在300℃的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示在20℃、300℃測(cè)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(zhǎng)率和現(xiàn)階段市場(chǎng)上大量商用的AZ31鎂合金相差無(wú)幾，但我們要注意的是在-20℃測(cè)試環(huán)境下，它的力學(xué)性能伸長(zhǎng)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)制備的體育器材專(zhuān)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(duì)偏多并且韌窩相對(duì)來(lái)說(shuō)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(diǎn)。

2.3耐磨損屬性試驗(yàn)討論分析

測(cè)驗(yàn)制備的體育器材專(zhuān)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(yàn)環(huán)境下經(jīng)相關(guān)的測(cè)試研究人員得出的力學(xué)性能中的耐磨損性能測(cè)試結(jié)果很明顯的顯示為無(wú)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)試條件下的磨損體積從98x10^-3mm³降低到11x10^-3mm³，如果用百分比來(lái)表示其明顯性的話直接銳減了88.9%;在150℃的測(cè)試條件下磨損體積從184x10^-3mm³直接降低到19x10^-3mm³，用百分比來(lái)表示其明顯性的話，降低了89%;在350℃的測(cè)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(gè)試驗(yàn)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(chǎng)上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比較的話，這次測(cè)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(shí)驗(yàn)討論分析

測(cè)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(chǎng)上大量商用的AZ31鎂合金，在5wt%的測(cè)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(shí)驗(yàn)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(guò)這點(diǎn)可以比較容易的認(rèn)識(shí)到，此次實(shí)驗(yàn)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(duì)目前已經(jīng)在市場(chǎng)上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金獲得了明顯的提高，具有相對(duì)很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在一般情況下體育器材具有體育本身的獨(dú)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(yáng)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(guò)在本次測(cè)試?yán)锩孢@種石墨烯鎂基復(fù)合材料的耐腐蝕性可以滿(mǎn)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(yàn)結(jié)論

1）研究技術(shù)人員通過(guò)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(duì)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(chǎng)上已經(jīng)大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比較，在一20℃測(cè)試條件下的抗拉強(qiáng)度從103MPa比較明顯的提高到526MPa，同時(shí)在20℃測(cè)試條件下的抗拉強(qiáng)度從261MPa比較明顯的提高到537MPa，在300℃測(cè)試條件下的抗拉強(qiáng)度從82MPa比較明顯的提高到514MPa，在-20℃測(cè)試條件下的伸長(zhǎng)率從4%比較明顯的提高到11%，提高了7%，在20℃與300℃測(cè)試環(huán)境下的延伸率和目前市場(chǎng)上已經(jīng)大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相差無(wú)幾。

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

4）此次試驗(yàn)中的體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料與目前在市場(chǎng)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(yǔ)

綜上所述，通過(guò)本次的試驗(yàn)我們對(duì)體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，所得出來(lái)的結(jié)果與目前市場(chǎng)上大規(guī)模商用的AZ31鎂合金相比，無(wú)論是在各種的測(cè)試溫度上還是抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)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。考慮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(chǎng)淘汰，有了這種材料可以很好地提高使用時(shí)間與質(zhì)量，這種石墨烯鎂基復(fù)合材料一定會(huì)擁有非常廣闊的市場(chǎng)前景。