石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料對運動器材的影響及性能分析

陳盼盼

(西安醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710021)

新型鎂合金材料受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，此材料因密度較輕、減震降噪性能突出、防屏蔽性能好、強(qiáng)度也較高，通過開發(fā)研究也取得社會的關(guān)注。雖說此材料的綜合性能也較為突出，但是它所包含的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，此缺點阻礙了該材料的大規(guī)模應(yīng)用及發(fā)展；而鎂基復(fù)合材料卻是有著鎂合金以及增強(qiáng)體全部的性能，其中包含的性能這二者優(yōu)劣互補(bǔ)，這受到許多技術(shù)人員及科研開發(fā)人員的關(guān)注。為此，通過開發(fā)鎂基復(fù)合材料，此材料在運動器材中得到了廣泛的使用。但是由于鎂基復(fù)合材料的組成部分較為復(fù)雜，所包含的性能可能會在進(jìn)行制備、加工以及組成的過程中受到影響，鎂基復(fù)合材料仍需要進(jìn)一步研究，完善它的不足之處并促進(jìn)鎂基復(fù)合材料在運動器材中的推廣應(yīng)用。基于此，石墨烯作為增強(qiáng)體，來進(jìn)行運動器材用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備，并進(jìn)行力學(xué)性能、耐磨性、抗腐蝕性、顯微組織進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料以工業(yè)級別的鎂、鋁、鋅、錳粉與石墨烯末做原料，從而制備出運動器材用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，其制備流程如圖1所示。

圖1 石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備Fig.1 Preparation of graphene-magnesium matrix composites

通過顯微鏡掃描對JSM6510型石墨烯增強(qiáng)材料進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。為了使石墨烯的分散速度加快，應(yīng)當(dāng)在SB-100清洗機(jī)中進(jìn)行超聲分散中添加少許酒精促進(jìn)分散速度。

圖2 石墨烯增強(qiáng)體的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of graphene enhancers

1.2 試驗方法

選用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料作為運動器材的制備材料，對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試。采用PX-5型顯微鏡和D8ADVANCE型X射線衍射儀并對石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與觀察；力學(xué)性能測試則采用CMT4000型電子萬能試驗機(jī)；溫度測試是在分別為-20、200和300 ℃的溫度環(huán)境下進(jìn)行；采用JSM-6510型掃描電子顯微鏡對石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的拉伸斷口進(jìn)行分析。在MMUD-5B型高溫摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行耐磨性試驗，溫度分別為20、150和300 ℃，試驗過程中選擇的載荷為100 N磨損載荷、250 r/min磨損輪速、10 min摩擦磨損時間和90 mm/min相對滑動速度。

2 測試效果分析與討論

2.1 顯微組織分析

根據(jù)運動器材利用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的XRD圖譜進(jìn)行了試驗測試，結(jié)果表明：石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料是由鎂和石墨烯組合構(gòu)成的，不存在鈦和錳等化和物質(zhì)，這一現(xiàn)象主要原因就是鈦的含量可以完全忽略掉；而錳最多用來去除雜物。運動器材用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的金相檢驗運動器材用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的金相檢驗，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，石墨烯的結(jié)構(gòu)分布較為均勻，沒有團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料試樣的顯微組織照片F(xiàn)ig.3 Microstructure of graphene magnesium matrix composites

2.2 力學(xué)性能測試結(jié)果

該測試使用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料與AZ31鎂合金相比較，分別在-20、20和300 ℃的溫度環(huán)境下開展力學(xué)性能的試驗；結(jié)果如圖4所示。

圖4 石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能測試Fig.4 Mechanical properties of graphene magnesium matrix composites

由圖4可知，石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料無論在多么惡劣的溫度環(huán)境中，力學(xué)性能仍然要高于AZ31鎂合金。在溫度-20 ℃環(huán)境下，石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度比AZ31鎂合金的抗拉強(qiáng)度提高407%；在溫度20 ℃的環(huán)境下，石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度比AZ31鎂合金的抗拉強(qiáng)度提高105%；在高溫300 ℃的惡劣環(huán)境下，石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度要比AZ31鎂合金的抗拉強(qiáng)度直接提高520%。從圖4中還可得出，運動器材用石墨烯基復(fù)合材料在溫度20 、300 ℃環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度與AZ31鎂合金相當(dāng)；但在溫度-20 ℃環(huán)境下，其斷裂伸長率比AZ31鎂合金提高了7%，表明石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能較其更勝一籌。

2.3 耐磨損屬性分析

對石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料與AZ31鎂合金分別在不同溫度的惡劣環(huán)境下，對2種材料的力學(xué)性能以及耐磨性和防腐蝕性進(jìn)行測試對比，2種材料在溫度-20、20和300 ℃的環(huán)境下，運動器材用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的多方面受損情況都比AZ31鎂合金受損要小得多，表明此實驗數(shù)據(jù)得出的石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能更好。與AZ31鎂合金相比，石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在溫度20 ℃環(huán)境下的磨損體積由98×10mm減到11×10mm；在150 ℃下的磨損體積由184×10mm減到19×10mm；在溫度350 ℃下的磨損量減少了89%，耐磨性由291×10mm減到27×10mm，耐磨性下降了90.9%；其受損的面積更小，這表明運動器材用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的抗磨性能較為優(yōu)越。石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料與AZ31鎂合金材料相比，石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能表現(xiàn)較為突出。

3 運動器材中應(yīng)用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的前景

因復(fù)合材料早已普遍應(yīng)用與體育運動器材中，所以石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在競技體育中應(yīng)用有以下典型方面。

3.1 滑雪板

滑雪板的結(jié)構(gòu)及材料較為復(fù)雜，多年來為實現(xiàn)滑雪板輕量化、改進(jìn)的減震性能、疲勞壽命和回轉(zhuǎn)性能一直是被關(guān)注的主要問題。采用石墨烯碳纖維復(fù)合材料的滑雪板可以使彎曲與扭曲相平衡、回轉(zhuǎn)性與滑行性相匹配、減震吸能和滑雪穩(wěn)定性能較好的特點。

3.2 撐桿運動

石墨烯碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料制成的撐桿跳質(zhì)輕有彈性，可用來跳更高的高度。在最早的撐桿是由桃木制成，質(zhì)量大也缺乏彈性，當(dāng)是比賽的成績最好的只有3.3 m；1905年使用的具有一定彈性的竹竿成績提高到了4.77 m；之后幾十年相繼使用了尼龍撐桿和金屬桿，屆時的世界記錄被成功刷新；1984年美國研發(fā)了質(zhì)輕、彈性更強(qiáng)的玻璃纖維桿，第一次使用的記錄突破在6 m；被改進(jìn)成碳纖維撐桿后，在保證一定結(jié)實且不易斷裂的情況下，合金桿是發(fā)展的趨勢。石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在前人的基礎(chǔ)上具備更強(qiáng)的恢復(fù)能力，充分的儲能保證了撐桿的彈跳運動。

3.3 弓箭運動

采用復(fù)合材料制成的弓箭不但質(zhì)量輕，且具有較高的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，能夠承受運動員施加更大的彎曲壓力。石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料同樣可用來制作弓箭，而且也可得到更高的彎曲度和彎曲模量。石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料還可用來制造箭桿。在過去箭多用于竹子、玻璃鋼、鋁合金等制造材料，但因為它們的比模量和強(qiáng)度低，不易制作輕而細(xì)、剛則彎曲的箭桿，因此，為提高箭的初速和命中率，適合用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制作高性能箭。

4 結(jié)語

本試驗用石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備運動器材，無論是抗拉強(qiáng)度、耐磨抗腐蝕性、力學(xué)性能等，這種石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料都表現(xiàn)出色。考慮到大部分運動器材都基本假設(shè)在室外而且常年受到自然環(huán)境的威脅，如今傳統(tǒng)的運動器材已經(jīng)慢慢的被市場拒絕，石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在運動器材上的優(yōu)勢，可以有效地提升體育運動器材的使用壽命和質(zhì)量，這種石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用巨大的，所含的市場前景也較為廣闊。