新型镁基复合材料的体育器材制备与性能分析

刘利锋

摘 要：将新型镁基复合材料当做增强体，对体育器材进行制备，进行改良后的体育器材对竞技成绩的提升和开展全民运动都有着推动作用，提升运动品质。并从显微组织、耐磨损程度和力学性能等多方面对其进行性能分析，测试结果表明，新型镁基复合材料拥有着良好的拉伸性、耐腐蚀性，优化体育器材性能，提升体育器材的功效和耐用性，具有实际应用价值。

关键词：新型镁基复合材料;体育器材;性能分析;耐磨损性

中图分类号：TQ050.4+3                        文獻标识码：A                     文章编号：1001-5922（2021）07-0071-04

Preparation and Performance Analysis of Sports Equipment of New Type Magnesium-based Composite

Liu Lifeng

（School of Physical Education， Xi an Peihua University， Xi an 710065， China）

Abstract：The new type of magnesium-based composite material is used as a reinforcement to prepare sports equipment. The improved sports equipment will promote the improvement of athletic performance and the development of national sports， and improve the quality of sports. It also analyzes its performance in terms of microstructure， abrasion resistance and mechanical properties. The test results show that the new magnesium-based composite material has good tensile properties and corrosion resistance， optimizes the performance of sports equipment， and improves sports the efficacy and durability of the equipment have practical application value.

Key words：new magnesium-based composites; sports equipment; performance analysis; wear resistance

0 引言

随着经济的高速发展，人们的生活水平也日益提升，对身体健康也越来越重视。由于对体育器材的需求有所提高，因此在相关材料的研发上也投入了更高的关注度。新型镁基复合材料因其密度轻、减震降噪等优点被广泛的应用于体育器材值制备中。但是影响新型镁基复合材料性能的因素众多，因此仍需要不断地研究和改进。为了寻求到更加适宜的力学刚度、弹性的复合材料，研发人员将碳化硼增强体融入钛镁合金之中，并进行了XRD、OM和SEM分析。

1 镁基复合材料的基体合金和增强体

1.1 基体合金

由于纯镁强度较低，无法当做新型镁基复合材料的基体进行使用，需要在其中添加合金元素，对其进行合金化来增强其强度[1]。常用的合金元素多为稀土金属，包含Zn，Mn，CE等，这些合金元素拥有着固溶强化、细晶强化等功能，常用的为Al，Zn，Mn等。多个合金元素可自由组合搭配，常用的基体合金包括：Mg-Mn，Mg-Al，Mg-Li，Mg-Zr等。在进行基体材料选择时以自身特性为判断依据，若侧重挤压性能，可以选择变形镁合金，若侧重铸造性能，可以选择铸造镁合金，目前应用的最为广泛的基体合金为AZ91，AM60，ZK60等。

1.2 镁基复合材料增强体

在进行镁基复合材料增强体选择时，需要具备界面润湿性良好和荷载承受力强等条件。下面对几种增强体进行详细介绍。①长纤维增强金属基，拥有良好且稳定的性能，但是造价昂贵，且材料存在各向异性，不适用于民用工业。②颗粒增强金属基，结构灵活，可进行二次塑性，并且具备良好的强度、硬度，且耐高温耐腐蚀，性能优渥，越来越受研发人员的重视。目前可用的增强颗粒可以划分为碳化物、氮化物、氧化物和硼化物4种[2]。由于金属镁自身的化学性质活泼，因此能够与多种金属基进行组合。例如：Al2O3和Mg会产生3Mg+Al2O3=2Al+3MgO的化学反应，会削减金属基和基体间的结合强度。如果Al2O3中含有SiO2，那么SiO2会和Mg产生激烈反应：2Mg+SiO2=Si+2MgO，2Mg+SiO2=Mg2Si，因为Mg2Si会影响界面结合强度，因此很少选用Al2O3颗粒当做增强体。B4C颗粒中的B2O3和Mg会发生反应：4Mg+B2O3=MgB2+3MgO，MgB2可以提升润滑性，使新型镁基复合材料拥有良好的力学性能。因此，SiC和B4C是目前较常用的新型镁基复合材料。

2 制备方法

2.1 粉末冶金法

利用粉末冶金原理，将基体材质和增强颗粒依照科学配比进行融合、压胚，当温度达到合金两相区时烧结，也可以直接进行热轧、热压来制备新型镁基复合材料，用于体育器材的制作当中。运用该制备方法生产出的新型镁基复合材料无须经历全熔高温状态，可以一定程度上避免镁合金发生氧化[3]。且增强颗粒和基体材质的融合率高，分布均匀，复合材料拥有良好的综合性能，做出的体育器材更加耐用。应用粉末冶金法时对增强颗粒的种类也没有具体要求，可以任意调整配比。但是粉末冶金法需要用到的生产设备较为复杂，且投入成本较高，也无法生产形状较为复杂的体育器材，且存在粉末易燃烧、爆炸等安全隐患，无法用在大规模工业化生产当中，很难得以推广。

2.2 搅拌铸造法

该制备方法依靠机械、电磁、超声波等方式对原料进行充分搅拌，使增强粉末均匀的分布于基体熔体中，然后制备成型。按照铸造时金属形态的差异可以将制备方法分为3种，分别是全液态法、半液态法和搅熔法。研究人员应用全液态法制备出了SiC复合材料，通过与AZ91材料对比后，得出SiC复合材料制作的体育器材在力学性能方面更具优势。此种制备方法工艺简单，易于操作，无需投入过多的资金，可用于大规模工业化生產当中[4]。但是，会对增强颗粒的体积分数进行限制，在铸造时也容易出现气孔、沉积，团聚等问题。

2.3 原位合成法

将复合材料中的增强颗粒以物理化学反应的方式在制备过程中进行生成，换言之，增强颗粒是借助组元间的反应产生的。合成原理是依照材料设计要求，添加适当反应剂，当温度高于基体材料的熔点时，依靠反应剂和集体材料的反应，于原位生成增强颗粒。当前较常使用的原位合成技术包括：Self-propagating High temperature Synthesis（自蔓延高温法），Exothermic Dispersion（放热弥散法），Direct Reaction Synthesis（直接反应法），Reactive Self-Infiltration（反应自发浸渗法），Remelting and Dilution（重熔稀释法）。

2.4 熔体浸渗法

将增强颗粒预制成形，再借助压力将早已熔断好的基体材料渗浸到预制体的缝隙当中，完成复合化。较常应用的方法为压力渗透，自发渗透，真空渗透等。拿压力渗透（Squeeze Casting）举例，先将增强体加工成预制件，然后加入液态镁合金，通过增压的方式使其均匀的浸渗于预制件当中，制备出复合材料[5]。该方法的优点在于可用来制备高体积分数的复合材质，易于成型，缺点是制备工艺复杂，资金投入大，并且基体材料和增强颗粒之间的润湿性较差。若是采用高压浸透的方式，可以改善润湿性较差，质地疏松、气孔多等现象。

2.5 喷射沉积法

利用高压惰性气体将液态镁或镁合金进行雾化处理，在形成熔融纯镁或镁合金喷射流时直接将增强体喷入其中，使液体、固体两种材质充分融合，并同步沉积至预制件的衬底上，冷却后形成颗粒增强镁基复合材质。该制备方法的优点是增强体在基体中均匀分布无偏聚，冷却速度快，不易产生界面反应。缺点是在进行制备时对气氛保护的要求十分严格，具有较大的危险性，因此较少使用这一镁基复合材料制作体育器材。

3 测试材料和方式

3.1 测试材料

在进行测试时，我们选择了较常应用的Mg，Zn，Mn工业级金属，以Mg-3Al-1，Zn-0.1，Ti-0.3Mn当做增强体，在TXZ-110熔炉中以700℃将其熔炼，并且在熔炼时需要不间断的对其进行机械搅拌。当基体金属全部熔断后，向其中加入10vol%碳化硼增强体，继续进行机械搅拌，搅拌时长一般设定为10min。然后将熔炼好的金属液体在铁模中进行浇注，且浇注过程中需要持续搅拌确保其充分流动直到浇注结束[6]。冷却后从铁模中将体育器材用镁基复合材料拿取出来。于新型镁基复合材料中添加Mn，主要是为了去除杂质，制备完成后，运用Winner 2000ZD型激光粒度仪对其进行粒径分布检测，得出其粒径在38～45μm之间。

3.2 实验方法

运用6XB-PC型金相显微镜和JSM6510型扫描电镜，对制备出的镁基复合材料试样进行分析，通过观察其纤维组织判断其是否可以用来制作体育器材。运用D8ADVANCE型X射线衍射仪分析其物相构成。运用UH-100GL型高温拉伸试验机测试其力学性能，将温度分别设定为200℃、350℃和500℃3个阶段，确保测试数据更具参考价值。运用JSM6510型扫描电镜观察其拉伸断口处的形貌。运用CHI660B型电化学工作站测试其耐腐蚀性，应用的是三电极体系，分别为甘汞电极、铂黑电极和试样制备电极[7]。除了对测试设备有着严格要求，在测试温度，扫描速度和扫描范围等方面也有着规定数值，测试温度为正常室温，扫描速度和范围分别为0.002mm/s、-1.0V～-0.5V。

4 测试结果与性能分析

4.1 XRD、显微组织分析及讨论

利用上述精密测试仪器，我们可以得到新型镁基复合材料试样的XRD图谱，如图1所示。

通过观察图谱我们可以得知，该新型镁基复合材料是由构成α-Mg、Mg17Al12、B4C，不含Ti或Mn的化合物相[8]。使用6XB-PC型金相显微镜和JSM6510型扫描电镜对体育器械用新型镁基复合材料试样进行观察，可以发现该试样晶粒比较细小，平均尺寸大约为58μm，且碳化硼增强颗粒分布的也较为均匀，团聚现象少。

4.2 拉伸性试验结果及讨论

将测试室温设为200℃、350℃和500℃3个阶段，对试样及拉伸性能进行实验，通过分析测试结果我们可以发现，该试样拥有着良好的拉伸强度及伸长率，在不同室温下高温力学性能都能趋于稳定。该试样在室温抗拉强度为427MPa，伸长率为12.3%，随着测试温度升高，抗拉强度会有所下降，伸长率则会有所上升，当测试温度为500℃时，抗拉强度的数值会降至388MPa，相比室温时的抗拉强度值降低了9%左右，伸长率则提升了大约26%，由此可见，该新型镁基复合材料拥有良好且稳定的室温、高温力学性能[9]。运用JSM6510型扫描电镜观察其拉伸断口处的形貌，会发现断口处有着少量的撕裂棱以及大量的微小等轴韧窝，呈现韧性断裂特征。由此可见，该款新型镁基复合材料有着良好的拉伸性能。因为部分体育器材需要安放在室外供人们使用，因此受温度的影响较大，例如我国东北地区冬季室外温度可达-40℃左右，夏天的室外温度大约为35℃，温差较大，这就要求室外双杠、健身转盘和社区健身器材等体育器材拥有良好的比刚度以及伸展性。以往应用木质、钢材为原料的健身器材在比刚度和弹性等方面都略有欠缺。应用新型镁基复合材料制作健身器材则可以很好的解决这些问题，器材韧性强、抗拉伸力好，可以很好的满足使用者对力学性能方面的要求。

4.3 耐腐蚀性试验结果及讨论

将制备出的体育器材用新型镁基复合材料试样和商用轧制态AZ31镁合金放于5wt%室温的NaCl溶液之中，将扫描速度设定为0.002mm/s，会得出相应的极化曲线，具体情况如图2所示。

从图2中我们可以看出，和商用轧制态AZ31镁合金相比，新型镁基复合材料的腐蚀电位发生了正移，从-0.932V到-0.648V，数值相差284mV。依据定律，材料腐蚀电位直接代表其耐腐蚀性，电位越正耐腐蚀性越好，反之则耐腐蚀性越差。通过对比二者数值我们可以得知，新型镁基复合材料的耐腐蚀性要远高于商用轧制态AZ31镁合金，具备更高的实际应用价值。因为体育器材拥有着体育本身的特殊性，且安装和放置方式各有不同，一部分室外体育器材需要将器材的一部分埋于地下，长期暴露在高酸高碱的环境当中，因此对其抗腐蚀性能要求较高。改款新型镁基复合材料就拥有着良好的耐腐蚀性，用其制作体育器材更加经久耐用，可以大幅度提升其使用期限和效率，可当做社区健身器材供人们使用。

4.4 力学属性试验结果及讨论

将本次测试制备的新型复合材料和商用轧制态AZ31镁合金分别放于-20℃、20℃、300℃温度下进行力学属性实验，我们会发现无论处于何种温度，新型镁基复合材料的力学属性都要优于商用轧制态AZ31镁合金[10]。在-20℃温度下，力学属性从103MPa提升至526MPa，按百分比换算提升数值为407%，在20℃温度下，力学属性从261MPa提升至537MPa，按百分比换算提升数值为105%，在300℃温度下，力学属性从82MPa提升至514MPa，提升520%。由于部分体育器材都是作为社区健身器材使用，供居民进行日常锻炼时使用。我国城镇人口密度大，晨练人口众多，因此体育器材的利用率也较高，每天都有大量的居民使用同一體育器材进行锻炼，这就要求其应该具备良好的力学属性，应用新型镁基复合材料制作的体育器材就可以很好的满足这一要求，器材坚固不易坏，更具使用价值。

5 结语

通过对力学属性、耐腐蚀性、拉伸性等多方面进行测试，证明了该款新型镁基复合材料的各项性能要远优于市面上常用的商用轧制态AZ31镁合金。由于很多体育器材都被用于户外，长期被风吹雨淋，处于高酸高碱环境中，在温差较大的地区受温度变化的影响较大，运用传统材质制作的体育器材已经无法满足使用需求，正在逐渐被市场淘汰。而运用这一材料制成的体育器材更加坚固耐用，使用寿命得到了有效延长，在今后拥有着广阔的发展前景。

参考文献

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