體育器材用石墨烯復合材料的磨損性能研究

堵航歌

摘 要：針對石墨烯復合材料在體育器材制造上的廣泛應用，而缺乏對該材料性能研究的問題，本研究從該材料的顯微組織、力學性能、耐磨損性能，以及耐腐蝕性能對其性能進行了初步探索。通過制備以石墨烯為增強體的體育器材用復合材料，并與現有廣泛用于商用的AZ31鎂合金材料進行對比實驗，探討了該材料的力學性能和耐腐蝕性能，重點研究分析了該材料的磨損性能。實驗結果表明，本研究制備的體育器材用石墨烯復合材料復合材料耐磨損性能良好，具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，且優于AZ31鎂合金材料。

關鍵詞：體育器材;石墨烯;復合材料;磨損性能

中圖分類號：TQ317? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001-5922（2021）07-0080-04

Research on Wear Properties of Graphene Composites Used in Sports Equipment

Du Hangge

（Baoji Vocational and Technical College， Baoji 721000， China）

Abstract：In view of the wide application of graphene composite in sports equipment manufacturing， but the lack of research on its properties， this study made a preliminary exploration on its properties from the microstructure， mechanical properties， wear resistance and corrosion resistance of the material. Through the preparation of graphene reinforced sports equipment composite material， and a coMParative experiment with the existing AZ31 magnesium alloy material widely used in commercial use， the mechanical properties and corrosion resistance of the material were discussed， and the wear performance of the material was mainly studied and analyzed. The experimental results show that the graphene composite for sports equipment prepared in this study has good wear resistance， good mechanical properties and corrosion resistance， and is better than AZ31 magnesium alloy.

Key words：sports equipment; graphene; composite material; wear performance

優質的原材料是體育器材質量的保證。近年來，為了延長體育器材的使用壽命，各種新型材料廣泛應用于體育器材。隨著復合材料和石墨烯技術的發展，以石墨烯為增強體制造的體育器材用復合材料越發引起人們的關注。對于這類體育器材用復合材料，國內專家學者均進行了相關的研究。但其研究內容主要集中在材料的制備和材料的應用范圍等方面，如張寧主要對體育器材用石墨烯鎂基復合材料的制備與性能進行了研究和分析[1]，蘆雨澤主要對石墨烯技術在體育運動器材中應用進行了探索[2]。但這些文獻內容都缺乏對體育器材用石墨烯復合材料的力學性能和耐磨損性能的研究。因此，本研究從材料的顯微組織、力學性能、耐磨損性能、耐腐蝕性能4個方面，詳細探討了體育器材用石墨烯復合材料的性能，并重點研究分析了該復合材料的耐磨損性能。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

本研究試驗儀器如表1所示。試驗材料包括工業級金屬鋁、鋅、鈦、錳、鎂，以Mg-3Al-1Zn-0.1Ti0.3Mn進行配料[3]。首先，將配料倒入熔煉溫度為700℃[4]的熔煉爐進行熔煉，并不斷機械攪拌，直到所有配料全部熔煉。然后從導管中加入10vol%[5]的石墨烯增強體，不斷機械攪拌直到石墨烯增強體全部噴入熔體，再持續機械攪拌10min[6]。最后將熔體澆注在鐵制模具中，澆注過程中需全程使用機械攪拌輔助。澆注結束，在空氣中冷卻，取出。

1.2 試驗方法

采用金相顯微鏡對試驗制備的體育器材用石墨烯復合材料進行顯微組織觀察;利用X射線衍射儀進行材料的物相進行組織分析;分別在25℃、100℃、300℃、500℃的測試溫度中，采用高溫拉伸試驗機對材料進行力學性能測試，并利用掃描電鏡對拉伸斷口進行觀察;分別在20℃、100℃、300℃的測試溫度中，采用高溫摩擦磨損試驗機對材料磨損性能進行測試;采用CHI660B型電化學工作站對材料進行耐腐蝕性能研究。

試驗中，MMUD-MMUD-5B高溫摩擦磨損試驗機的工作參數設置如表2所示。CHI660B型電化學工作站的工作參數設置如表3所示。

2 結果與分析

2.1 顯微組織分析

對試驗制備的體育器材用石墨烯復合材料利用金相顯微鏡和掃描電鏡進行觀察，得到如圖1所示的觀察結果。由圖1可知，該制備試樣的晶粒平均尺寸約為57.89μm，較為細小;增強體石墨烯在材料中的分布較為均勻，基本沒有出現團聚的現象。

2.2 XRD分析結果

對實驗制備的體育器材用石墨烯復合材料試樣進行X射線掃描，得到如圖2所示的試樣XRD圖譜。由圖可知，試樣中的石墨烯復合材料主要由石墨烯、鎂鋁合金（Mg12Al12）和a-mg組成，不含鈦和錳等化合物相，其原因是鈦含量較少，而錳的作用僅用于石墨烯復合材料制備中的去雜，故制備得到的復合材料不含鈦、錳兩種元素。

2.3 力學性能測試結果及分析

分別在25℃、100℃、300℃、500℃的測試溫度中對實驗制備的體育器材用石墨烯復合材料試樣的力學性能進行測試，得到如圖3所示的試驗結果。由圖可知，隨著溫度的升高，研究制備的石墨烯復合材料試樣的伸長率逐漸提升，拉伸強度逐漸降低。在25℃（室溫）條件下，試樣的拉伸強度為430MPa，伸長率為13.18%;在500℃條件下，試樣的拉伸強度為391MPa，伸長率為27.31%，說明研究制備的體育器材用石墨烯復合材料在室溫和高溫條件下具有良好的力學性能，且拉伸強度和伸長率的保持性能較好。

利用掃描電鏡對25℃拉伸試驗的材料進行拉伸斷口形貌觀測，得到如圖4所示的觀察結果。由圖可知，該試樣中的拉伸斷口含有大量的細小等軸韌窩以及少量的撕裂棱，這是韌性斷裂的特征表現[7]。由此可得出，該試樣具有良好的拉伸性能，即本研究制備的體育器材用石墨烯復合材料的拉伸性能良好，與上述結果一致。

2.4 耐磨損性能測試結果及分析

分別在20℃、100℃、300℃的測試溫度中對實驗制備的體育器材用石墨烯復合材料試樣的磨損性能進行測試。為更好地研究該材料的磨損性能，本研究將該材料與常見的商用體育器材用AZ31鎂合金材料[8]的磨損性進行了對比試驗，得到如圖5所示的試驗結果。由圖可知，本研究制備的石墨烯復合材料的磨損體積為與商用AZ31鎂合金磨損體積相比，在20℃測試溫度條件下，從97.5×10-3mm3減少到9.75×10-3mm3，減少了90%;在100℃測試溫度條件，共185×10-3mm3減少到17.94×10-3mm3，減少了90.3%;在300℃測試溫度條件下，從292×10-3mm3減少到26.84×10-3mm3，減少了90.8%，均小于商用AZ31鎂合金材料的磨損體積。說明在以上任何測試溫度條件下，本研究制備的石墨烯復合材料的磨損體積均小于商用AZ31鎂合金材料的磨損體積，即本研究制備的體育器材用石墨烯復合材料的耐磨損性更高。

2.5 耐腐蝕性能測試結果及分析

在25℃、質量百分比為5的氯化鈉溶液中[9]，采用CHI660B型電化學工作站以0.002mm/s的掃描速度，對實驗制備的體育器材用石墨烯復合材料試樣的耐腐蝕性能進行測試。為更好地研究該材料的耐腐蝕性能，本研究將該材料與常見的商用體育器材用AZ31鎂合金材料的耐腐蝕性能進行了對比試驗，得到如圖6所示的試驗結果。由表可知，本研究試驗制備的石墨烯復合材料的腐蝕電位與商用體育器材用AZ31鎂合金材料的腐蝕電位相比，由-0.915V移至-0.638V，正移了277mV。根據文獻[10]，腐蝕電位數值越大，耐腐蝕性能越好可知，本研究制備的體育器材用石墨烯復合材料耐腐蝕性能高于商用體育器材用AZ31鎂合金材料腐蝕性能，具有更高的實用價值。

3 結論

根據上文研究，可以得到以下4點結論：

（1）在Mg-3Al-1Zn-0.1Ti0.3Mn中添加10vol%的石墨烯增強體，可制備得到具有良好性能的體育器材用石墨烯復合材料。

（2）本研究制備的體育器材用石墨烯復合材料在室溫和高溫環境下力學性能表現良好，且隨著溫度的升高，其伸長率逐漸提升，拉伸強度逐漸降低。在室溫（25℃）條件下，材料的拉伸強度為430MPa，伸長率為13.18%;在高溫（500℃）條件下，材料的拉伸強度為391MPa，伸長率為27.31%。

（3）本研究制備的體育器材用石墨烯復合材料耐磨損性能良好，優于商用AZ31鎂合金的耐磨損性能。與商用AZ31鎂合金相比，在20℃測試溫度條件下，該材料的磨損體積減少了90%;在100℃測試溫度條件，該材料的磨損體積減少了90.3%;在300℃測試溫度條件下，該材料的磨損體積減少了90.8%，均小于商用AZ31鎂合金材料的磨損體積。

（4）本研究制備的體育器材用石墨烯復合材料耐腐蝕性能優于商用AZ31鎂合金耐腐蝕性能。與商用體育器材用AZ31鎂合金材料的腐蝕電位相比，該材料的腐蝕電位由-0.915V移至-0.638V，正移了277mV。

參考文獻

[1]張寧.體育器材用石墨烯鎂基復合材料的制備與性能分析[J].粘接，2019，40（07）：120-123.

[2]蘆雨澤.石墨烯技術在體育運動器材中應用的探索[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[3]吳怡凡，張學軍，田艷紅.碳纖維與磷脂分子聚集行為相關性研究[J/OL].化工新型材料：1-7[2020-09-14].

[4]宋可心，張雷，賈學志，等.吉林一號輕型高分辨空間相機碳纖維桁架支撐技術[J/OL].光學學報：1-12[2020-09-14].

[5]孟雨辰，王彥輝，荊蓉，等.碳纖維復合材料用環氧樹脂體系研究進展[J/OL].現代化工：1-10[2020-09-14].

[6]李勝華，李金良，王旭之.具有碳纖維材料環的超高壓模具[J/OL].高壓物理學報：1-7[2020-09-14].

[7]籍龍波，朱學武，丁建鵬，等.乘用車碳纖維復合材料研究及應用進展[J].汽車文摘，2020（09）：17-22.

[8]何芳，武博，許小海，等.碳纖維網格加固混凝土梁制備及其抗折性能研究[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2020，53（11）：1197-1203.

[9]李曉涵，李勇，還大軍，等.熱塑性定型劑對干鋪絲-RTM工藝及力學性能影響[J].航空動力學報，2019，34（04）：864-874.

[10]袁潘，楊智春.復合材料/鋁復合管軸向準靜態及沖擊壓潰的吸能特性[J].振動與沖擊，2010，19（8）：209-213.