体育器材用石墨烯镁基复合材料的制备与性能分析
2019-03-25张宁
张宁
摘要：近年来，科技发展的越来越快，特别是复合材料的研发与应用。首先以石墨烯为增强体开展了体育器材用石盟领基复合材料的制备，并采取了显微组织、物相组成、力学性能和耐磨性能的实验。结果表明：这种复合材料由Mg相和石墨烯相构成，与商用AZ31镁合金相比，石墨烯镁基复会材料的-20℃的抗拉强度从103MPa提升到526MPa，20℃的抗拉强度从261MPa提升到537MPa，300℃的抗拉强度从84MPa提升到516MPa，20℃磨损体积降低88%.150℃磨损体积降低89%，350℃磨损体积减低90%。
关键词：石墨烯;镁基复合材料;体育器材;力学性能;耐磨损性
中图分类号：TQ050.4+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0120-04
众所周知，因为镁合金的密度轻、强度高、能有效减震，降噪性优良、同时电磁屏蔽性能相比其他材料佳等一些优点受到体育器材行业很大的青睐。近些年来，镁合金的研究非常多，使得镁合金在一些实际的应用上也获得了不少成果。但是镁合金同时也有一些材料属性上的不足，例如镁合金的部分力学性能就不是很高，这个原因在很大程度上阻碍了它大批量商业化的应用。通过行业研究镁基复合材料因为结合了镁合金与增强体各自的优点，成功的融合了二者的优劣互补性，吸引聚集了非常多的科技研究与工程技术等相关人员的研究热情。本篇文章通过把石墨烯作为增强体，开展了体育器材采用石墨烯镁基复合材料的制备，并且对这样的复合材料的试样开展了物相组成、显微结构与力學性能的研究。
1 测试材料和方式
1.1测试材料
在测试时我们选择了工业级的Mg、AI、Zn、Mn粉和石墨烯，通过这些材料制造出了体育器材领域专用石墨烯镁基复合材料，这种制备工艺首先是按各自所占比重称料再进行超声波分散，再进行2200N/cm2*3min压制、500℃*4h真空烧结、400℃下8：1挤压最后在进行420℃*12h固溶处理。选择的工业级石墨烯增强体的JSM6510型扫描电镜照片，如图2所示。样品在SB-100型超声波清洗机里面被进行超声波分散，为了实现石墨烯的有效分散，在进行超声波分散过程里面加入少量酒精。石墨烯镁基复合材料的化学成分为AI2.94%、Zn0.85%、Mn0.31%、石墨烯3.0%、其他杂质元素少于0.010%、Mg余量。
1.2测试方法
我们选择测试制备的体育器材用石墨烯镁基复合材料的显微组织使用了PX-5型金相显微镜开展观察分析研究;XRD研究使用了D8ADVANCE型X射线衍射仪，力学性能测试使用了CMT4000型电子万能试验机开展了相关的实验，试验温度分别在-20℃、20℃、300℃下进行，并且使用了JSM6510型扫描电镜对拉伸端口开展观察分析如图1所示;耐磨损性能使用的是MMUD-5B型高温摩擦磨损试验机开展的相关试验，在这个阶段所选择的温度是20℃、150℃、300℃，在试验过程里面选择的载荷为100N磨损载荷、250dmin的磨轮转速、10min摩擦磨损时间以及90mm/min的相对滑动速度
2 测试效果讨论与分析
2.1显微镜组织分析和讨论
我们通过测试制备的体育器材用石墨烯镁基复合材料的XRD图谱，在这上面能够明显看出，这样的石墨烯镁基复合材料是由Mg相与石墨烯组合构成。并没有Ti与Mn等化合物相，这其中绝大部分的原因是因为Ti的含量基本可以忽略不计，Mn则多用于除杂。测试制备的体育器材用石墨烯镁基复合材料的显微组织金相照片，如图2所示。能够明显看出，这个石墨烯镁基复合材料的增强体石墨烯的分布无明显分散，较为均匀、也没有明显的团聚现象。
2.2力学属性试验分析讨论
我们通过本次测试制备的体育器材专用石墨烯镁基复合材料和目前商业中大量使用的AZ31镁合金，通过各自在-20℃、20℃、300℃试验环境下经相关的测试研究人员得出的力学性能测试结果很明显的显示，无论是在-20℃、20%或者是在300℃试验环境下，这种石墨烯镁基复合材料的抗拉强度都比目前市场上大量商用的AZ31镁合金获得了非常明显的提升，在这个测试结果里面-20℃的抗拉强度从103MPa直接提高到526MPa，如果用百分比来表示其明显性的话是提高了407%;在20℃的测试条件下抗拉强度从261MPa显著提高到537MPa，如果也用百分比来表示则为提高了105%;在300℃的试验温度条件下抗拉强度从82MPa直接提高到514MPa，更是直接增加了520%。另外实验结果还显示在20℃、300℃测试环境下，体育器材用石墨烯镁基复合材料的力学性能中的伸长率和现阶段市场上大量商用的AZ31镁合金相差无几，但我们要注意的是在-20℃测试环境下，它的力学性能伸长率相比较目前大量商用的AZ31镁合金从4%增加到11%，明显增加了7%。所以基于此项实验可以了解到，这种石墨烯镁基复合材料拥有比较良好的力学性能。
测验制备的体育器材专用石墨烯镁基复合材料在20℃拉伸断口gEM照片中，如图3所示。我们能够明显观察到，这种石墨烯镁基复合材料的拉伸断口里面的撕裂棱有了很大程度上的减少，等轴韧窝数目相对偏多并且韧窝相对来说偏细小，其中绝大部分都是韧性断裂，部分解理断裂为次要的断裂特点。
2.3耐磨损属性试验讨论分析
测验制备的体育器材专用石墨烯镁基复合材料和目前大规模商用的AZ31镁合金，各自在20℃、150℃、350℃试验环境下经相关的测试研究人员得出的力学性能中的耐磨损性能测试结果很明显的显示为无论是在20℃、150℃或是在350℃的试样条件下，这种体育器材用石墨烯镁基复合材料的磨损体积相比较于目前市场上大规模商用AZ31镁合金都要小，由此可以很轻易地得出其耐磨损性能更好。与现在市场上大规模商用的AZ31镁合金相比较的话，这种体育器材用石墨烯镁基复合材料的20℃测试条件下的磨损体积从98x10-3mm3降低到11x10-3mm3，如果用百分比来表示其明显性的话直接锐减了88.9%;在150℃的测试条件下磨损体积从184x10-3mm3直接降低到19x10-3mm3，用百分比来表示其明显性的话，降低了89%;在350℃的测试条件下磨损性能从291x10-3mm3很明显的降低到27x10-3mm-3，比较明显的降低了90.9%。其磨损体积越小，这种体育器材用石墨烯镁基复合材料的耐磨损性能就越好，由这个试验结果很显然的表示了，这种石墨烯镁基复合材料与现在市场上大规模商用的AZ31镁合金相比较的话，这次测试制备的体育器材用石墨烯镁基复合材料的耐磨性能获得了非常明显的提高。
2.4耐腐蚀性能实验讨论分析
测试制备的体育器材用石墨烯镁合金复合材料和目前市场上大量商用的AZ31镁合金，在5wt%的测试温度NaCl溶液里面，以0.002mm/s的扫描速度得到变化曲线，这种石墨烯镁基复合材料和现在已经商用的AZ31镁合金相比较，次次实验制备的镁基复合材料的腐蚀电位从-0.923V比较明显的正移到-0.639V，共正移了284mV。我们大家都知道，物质材料腐蚀电位越正，它的耐腐蚀性就越好;相应的，如果腐蚀电位越负，其耐腐蚀性也就越差。通过这点可以比较容易的认识到，此次实验的这种体育器材用石墨烯镁基复合材料的耐腐蚀性相对目前已经在市场上大规模商用的AZ31镁合金获得了明显的提高，具有相对很高的实际应用价值。在一般情况下体育器材具有体育本身的独特性，例如体育设施的安装还有放置形式都各种各样，一定数量的室外体育设施全部或者局部安装于地下、还有部分体育器材处在高酸高碱的环境里面、也有相当多的体育器材在室外风吹雨淋再加上强烈的太阳光照射，因此体育设施耐腐蚀性能的强与弱直接影响了体育器材的质量与使用寿命。通过在本次测试里面这种石墨烯镁基复合材料的耐腐蚀性可以满足体育器材设备的需要，能够极大地提高体育器材设施的使用寿命与质量，使其可以更加的经久耐用。
3 试验结论
1）研究技术人员通过以石墨烯作为增强体，使用超声波分散之后压制烧结的方式，完全能够制备出拥有相对好很多的力学性能与耐磨损性能的体育器材用石墨烯镁基复合材料，这种复合材料是由Mg相与石墨烯相构成。
2）这种体育器材用石墨烯镁基复合材料和现在市场上已经大规模商用的AZ31镁合金相比较，在一20℃测试条件下的抗拉强度从103MPa比较明显的提高到526MPa，同时在20℃测试条件下的抗拉强度从261MPa比较明显的提高到537MPa，在300℃測试条件下的抗拉强度从82MPa比较明显的提高到514MPa，在-20℃测试条件下的伸长率从4%比较明显的提高到11%，提高了7%，在20℃与300℃测试环境下的延伸率和目前市场上已经大规模商用的AZ31镁合金相差无几。
3）这种镁基复合材料与市场上商用的AZ31镁合金相比，其在20℃的测试条件下磨损体积降低了88.9%，在150℃的测试条件下磨损体积降低了89%，在350℃的测试条件下磨损体积降低了90.9%。
4）此次试验中的体育器材用石墨烯镁基复合材料与目前在市场上大规模商用的AZ31镁合金相比，其腐蚀正电位正移了284mV。
4 结语
综上所述，通过本次的试验我们对体育器材用石墨烯镁基复合材料进行了一系列的实验，所得出来的结果与目前市场上大规模商用的AZ31镁合金相比，无论是在各种的测试温度上还是抗拉强度、伸长率、耐磨损性以及耐腐蚀性等力学性能上，这种石墨烯镁基复合材料都比目前商用的AZ31镁合金表现要好很多。考虑到很多体育器材都基本上是常年暴露在外，受到一年当中很多的环境变化影响，传统的体育器材所使用的材料已经逐渐面临着被市场淘汰，有了这种材料可以很好地提高使用时间与质量，这种石墨烯镁基复合材料一定会拥有非常广阔的市场前景。
